DE102018000748A1

DE102018000748A1 - Herstellung einer dünnen Substartschicht

Info

Publication number: DE102018000748A1
Application number: DE102018000748.1A
Authority: DE
Inventors: Chérubin Noumissing Sao
Original assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Current assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht (30) von höchstens 100 µm durch Stresseintrags mittels eines Stressor-Schichtaufbaus (10) auf ein Ingot (20), wobei der Stressor-Schichtaufbau (10) eine titanhaltige Haftmittelschicht (12) und eine nickelhaltigen Schicht (14) aufweist, die nickelhaltige Schicht (14) und der Ingot (20) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der Stressor-Schichtaufbau (10) bei einer ersten Temperatur (T1) auf den Ingot (20) aufgebracht wird, der Ingot (20) mit dem Stressor-Schichtaufbau (10) auf eine zweite Temperatur (T2) aufgeheizt wird, der Ingot (20) mit dem Stressor-Schichtaufbau (10) auf eine dritte Temperatur (T3) abgekühlt wird, die Substratschicht (30) zusammen mit dem Stressor-Schichtaufbau (10) abgelöst wird, wobei die dritte Temperatur (T3) kleiner als die zweite Temperatur (T2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dünnen Substratschicht.
Dünne Schichten eines Substrats, z.B. eine Halbleitermaterials, werden unter anderem relativ kostengünstig durch Ablösen der Substratschicht von einem Ingot erzeugt.
Wie in der US 5,374,564 A und der US 6,100,166 A beschrieben, lässt sich durch erzeugen einer porösen Schicht in einem Abstand zu der Oberfläche des Ingots innerhalb des Ingots eine Sollbruchstelle erzeugen. Die von der porösen Schicht bis zur Oberfläche reichende dünne Schicht des Ingots wird dann nach dem stoffschlüssigen Aufbringen eines Films auf der Oberfläche des Ingots und zusammen mit dem Film abgelöst.
Aus der US 2007/0249140 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht bekannt, wobei die Substratschicht durch gezielten Stresseintrag in einen Ingot von dem Ingot abgelöst wird. Der Stresseintrag wird durch das Aufbringen einer weiteren Schicht auf eine Oberfläche des Ingots, wobei sich Wärmeausdehnungskoeffizienten von Ingot und weiterer Schicht unterscheiden und die Temperatur von Ingot und weiterer Schicht verändert wird. Weitere Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht sind aus der US 2010/0310775 A1 , der US 2007/0249140 A1 und der US 2009/0280635 A1 bekannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht mit einer Dicke von höchstens 100 µm bereitgestellt, wobei die Substratschicht durch Erzeugung eines tensilen Stresseintrags auf ein Ingot von dem Ingot abgelöst wird und der tensile Stresseintrag mittels eines mit einer ersten Oberfläche des Ingots stoffschlüssig verbundenen Stressor-Schichtaufbaus bewirkt wird.
Der Stressor-Schichtaufbau weist eine titanhaltige Haftmittelschicht und eine nickelhaltigen Schicht auf, wobei die titanhaltige Haftmittelschicht mit einer Unterseite an die erste Oberfläche des Ingots angrenzt und wenigstens 30% Titan umfasst.
Die nickelhaltige Schicht grenzt mit einer Unterseite an eine Oberseite der titanhaltigen Haftmittelschicht an und umfasst wenigstens 30% Nickel.
Die nickelhaltige Schicht und der Ingot weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Nach der Aufheizung bis auf die zweite Temperatur wird der Ingot mit der Stressor-Schicht auf eine dritte Temperatur abgekühlt.
Bei der dritten Temperatur wird die Substratschicht mit der Stressorschicht von dem Ingot abgelöst.
Die dritte Temperatur weicht um höchstens 50° C oder höchstens 10° von der ersten Temperatur ab. Vorzugsweise ist die dritte Temperatur höher als die erste Temperatur.
Die dritte Temperatur ist geringer kleiner als die zweite Temperatur.
Die zweite Temperatur beträgt höchstens 240° C oder höchstens 220° C oder höchstens 200° C.
In einem nicht näher dargestellten Verfahrensschritt wird nach dem Ablösend der Substratschicht mit dem Stressor-Schichtaufbau in einer Weiterbildung die Substratschicht mit dem Stressor-Schichtaufbau auf einem Träger abgelegt und anschließend der Stressor-Schichtaufbau von der dünnen Substratschicht entfernt. Alternativ wird nach dem Ablösen der Substratschicht mit dem Stressor-Schichtaufbau die abgelöste Schichtstruktur ohne Ablegen auf einem Träger weiterverarbeitet.
Es sei angemerkt, dass das Ingot und entsprechend die herzustellende dünne Substratschicht typischerweise aus einem einkristallinen Halbleitermaterial besteht, z.B. GaN oder Ge oder GaAs.
Die abgelöste dünne Schicht wird als Wafer bezeichnet und dient als sogenanntes Substrat für die Herstellung von elektronischen Bauelementen. Hierbei werden die Bauelemente in dem Wafer und / oder auf der Oberfläche des Wafers mittels Halbleiterprozesse ausgebildet.
Es versteht sich, dass bei der Angabe des Masseanteils in Prozent immer der Anteil des jeweiligen Elements oder Verbindung an der Gesamtmasse der Schicht verstanden wird.
Durch das Aufheizen wird die Haftung zwischen der nickelhaltigen Schicht und der Haftmittelschicht erhöht.
Die Begrenzung der zweiten Temperatur stellt sicher, dass innerhalb der nickelhaltigen Schicht insbesondere nach dem Ablösen bei der dritten Temperatur keine plastischen Verformungen auftreten.
Untersuchungen haben gezeigt, dass durch das Begrenzen der zweiten Temperatur und das langsame Abkühlen eine Krümmung und / oder Verformung der abgelösten Substratschicht verringert oder sogar völlig vermieden wird.
Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich besonders plane dünne Substratschichten zuverlässig und reproduzierbar herstellen.
Die abgelöste Schicht lässt sich in einer Ausführungsform auch ohne Ablegen auf einem Trägersubstrat direkt weiterbearbeiten. Auch sind weitere Verfahrensschritte zur Glättung der dünnen Substratschicht nicht mehr notwendig, wodurch die Produktionskosten sinken.
Ein weiterer Vorteil einer zuverlässigen und einfachen Herstellung von dünnen Substratschichten ist, dass sich der Einsatz von problematischen Materialien wie beispielsweise GaAs oder Ge verringern lässt und die Herstellungskosten sinken.
In einer Ausführungsform beträgt die Temperaturdifferenz höchstens 200° C oder höchstens 150° C oder höchstens 100° C.
In einer anderen Ausführungsform weist die nickelhaltige Haftmittelschicht eine Dicke zwischen 20 µm und bis 150 µm oder eine Dicke zwischen 30 µm und 70 µm auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die titanhaltige Schicht eine Dicke von höchstens 1 µm oder höchstens 50 nm auf.
In einer Weiterbildung wird das Ablösen der Substratschicht durch einen mechanischen Impuls initiiert wird. Anders ausgedrückt, es findet ein Krafteintrag auf die Seitenfläche des Ingots statt. In einer Weiterbildung findet das Ablösen auch spontan, d.h. ohne Krafteintrag statt.
Gemäß einer anderen Weiterbildung besteht die titanhaltige Haftmittelschicht aus Titan und die nickelhaltige Schicht aus Nickel.
Der Stressor-Schichtaufbau umfasst bevorzugt nur die eine nickelhaltige Schicht und die eine titanhaltige Haftmittelschicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die erste Temperatur Zimmertemperatur oder liegt in einem Bereich zwischen 15°C und 25°C. Die dritte Temperatur stimmt bevorzugt mit der ersten Temperatur überein.
In einer Weiterbildung wird der Ingot mit dem Stressor-Schichtaufbau mit einer Heizrate von höchstens 10° C pro Minute oder höchstens 6° C pro Minute oder höchstens 4° C pro Minute auf die zweite Temperatur aufgeheizt und anschließend mit einer Kühlrate von höchstens 10° C pro Minute oder 5° C pro Minute oder 1° C pro Minute oder 0,1° C pro Minute auf eine dritte Temperatur abgekühlt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:

1 eine Ansicht von Verfahrensschritten zur Herstellung einer dünnen Substratschicht.

Die Abbildung der 1 skizziert ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht 30 gemäß einer ersten Ausführungsform.
In einem ersten Verfahrensschritt wird bei einer ersten Temperatur T1, z.B. Zimmertemperatur, ein Stressor-Schichtaufbau auf eine Oberfläche 22 eines Ingots 20, z.B. aus Germanium, aufgebracht, wobei eine Unterseite des Stressor-Schichtaufbaus 10 mit der Oberseite 22 des Ingots stoffschlüssig verbunden wird.
Der Stressor-Schichtaufbau 10 umfasst eine titanhaltige Haftmittelschicht 12, z.B. vollständig aus Titan bestehend, und eine nickelhaltige Schicht 14, z.B. vollständig aus Nickel bestehend. Die titanhaltige Haftmittelschicht 12 bildet die Unterseite des Stressor-Schichtaufbaus 10 aus und grenzt an die Oberfläche 22 des Ingots 20 an. Die nickelhaltige Schicht 14 folgt auf die Haftmittelschicht 12.
In einem folgenden Verfahrensschritt wird das Ingot 20 mit dem Stressor-Schichtaufbau 10 mit einer ersten Heizrate um eine erste Temperaturdifferenz auf eine zweite Temperatur T2, z.B. 200° C, aufgeheizt und anschließend auf eine dritte Temperatur T3 abgekühlt. Die dritte Temperatur T3 ist also kleiner als die zweite Temperatur T2 und größer oder gleichgroß als bzw. wie die erste Temperatur T1.
Vorzugsweise wird der Ingot (20) mit dem Stressor-Schichtaufbau (10) mit einer Heizrate von höchstens 10° C pro Minute oder höchstens 6° C pro Minute oder höchstens 4° C pro Minute auf die zweite Temperatur (T2) aufgeheizt und anschließend mit einer Kühlrate von höchstens 10° C pro Minute oder 5° C pro Minute oder 1° C pro Minute oder 0,1° C pro Minute auf eine dritte Temperatur (T3) abgekühlt.
Aufgrund des durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ingots 20 und des Stressor-Schichtaufbaus 10, insbesondere der nickelhaltigen Schicht 14, erzeugten tensilen Stresseintrags auf das Ingot 20, löst sich eine dünne Substratschicht 30 mit dem Stressor-Schichtaufbau 10 von dem Ingot 20 bei der dritten Temperatur T3 entweder spontan oder vorzugsweise mittels eines mechanischen Impuls MP ab.
In einem nächsten nicht näher dargestellten Verfahrensschritt wird die Substratschicht 30 mit dem Stressor-Schichtaufbau 10 auf einem Träger 40 abgelegt und anschließend der Stressor-Schichtaufbau 10 von der dünnen Substratschicht 30 entfernt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5374564 A [0003]
US 6100166 A [0003]
US 2007/0249140 A1 [0004]
US 2010/0310775 A1 [0004]
US 2009/0280635 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Substratschicht (30) mit einer Dicke von höchstens 100 µm, wobei - die Substratschicht (30) durch Erzeugung eines tensilen Stresseintrags auf ein Ingot (20) von dem Ingot (20) abgelöst wird, - der tensile Stresseintrag mittels eines mit einer ersten Oberfläche (22) des Ingots (20) stoffschlüssig verbundenen Stressor-Schichtaufbaus (10) bewirkt wird, - der Stressor-Schichtaufbau (10) eine titanhaltige Haftmittelschicht (12) und eine nickelhaltige Schicht (14) aufweist, - die titanhaltige Haftmittelschicht (12) mit einer Unterseite an die erste Oberfläche (22) des Ingots (20) angrenzt und die titanhaltige Haftmittelschicht (12) wenigstens 30% Titan umfasst, - die nickelhaltige Schicht (14) mit einer Unterseite an eine Oberseite der titanhaltige Haftmittelschicht (12) angrenzt und die nickelhaltige Schicht (14) wenigstens 30% Nickel umfasst, - die nickelhaltige Schicht (14) und der Ingot (20) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und - nach dem Ablösen der Substratschicht (30) von dem Ingot (20) der Stressor-Schichtaufbau (10) von der Substratschicht (30) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stressor-Schichtaufbau (10) bei einer ersten Temperatur (T1) auf den Ingot (20) aufgebracht wird, die Substratschicht (30) zusammen mit dem Stressor-Schichtaufbau (10) bei der dritten Temperatur (T3) abgelöst wird, - die zweite Temperatur (T2) um eine Temperaturdifferenz höher als die erste Temperatur (T1) ist, - die dritte Temperatur (T3) niedriger ist als die zweite Temperatur (T2), - die dritte Temperatur (T3) um höchstens 50° C oder höchstens 30° von der ersten Temperatur (T1) abweicht, - die zweite Temperatur (T2) höchstens 240° C oder höchstens 220° C oder höchstens 200° C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz höchstens 200° C oder höchstens 150° C oder höchstens 100° C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nickelhaltige Haftmittelschicht (14) eine Dicke zwischen 20 µm und bis 150 µm oder eine Dicke zwischen 30 µm und 70 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die titanhaltige Schicht (12) eine Dicke von höchstens 1 µm oder höchstens 50 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablösen der Substratschicht (30) durch einen mechanischen Impuls (MP) initiiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die titanhaltige Haftmittelschicht (14) aus Titan besteht und die nickelhaltige Schicht (14) aus Nickel besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stressor-Schichtaufbau (10) nur die eine nickelhaltige Schicht (14) und die eine titanhaltige Haftmittelschicht (12) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) zwischen 15°C und 25°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Temperatur (T3) mit der ersten Temperatur (T1) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ingot (20) mit dem Stressor-Schichtaufbau (10) mit einer Heizrate von höchstens 10° C pro Minute oder höchstens 6° C pro Minute oder höchstens 4° C pro Minute auf die zweite Temperatur (T2) aufgeheizt wird und anschließend mit einer Kühlrate von höchstens 10° C pro Minute oder 5° C pro Minute oder 1° C pro Minute oder 0,1° C pro Minute auf eine dritte Temperatur (T3) abgekühlt wird.