DE102022131556A1

DE102022131556A1 - Verfahren zum herstellen eines vorrichtungssubstrats, wafer-bearbeitungseinrichtung und heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102022131556A1
Application number: DE102022131556.8A
Authority: DE
Inventors: Gino Gesell; Tom Schiefer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2024-05-29
Also published as: CN118116803A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Ausgangssubstrat (110), wobei das Ausgangssubstrat (110) eine erste Hauptoberfläche (111), ein Substratmaterial und eine Trennschicht (114) in einem Abstand zur ersten Hauptoberfläche (111) umfasst. Die Trennschicht (114) enthält modifiziertes Substratmaterial. Eine Spannung erzeugende Schicht (120) ist am Ausgangssubstrat (110) so angebracht, dass die Spannung erzeugende Schicht (120) mit der ersten Hauptoberfläche (111) in Kontakt ist. Das Ausgangssubstrat (110) und die Spannung erzeugende Schicht (120) werden auf eine Temperatur unterhalb einer Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht (120) abgekühlt, wobei das Ausgangssubstrat (110) entlang einer Spaltfläche (115) durch die Trennschicht (114) gespalten wird, wenn das Ausgangssubstrat (110) unter die Glasübergangstemperatur gekühlt wird. Das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) wird erhitzt, wobei das Erhitzen ein berührungsloses volumetrisches Erhitzen umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats, insbesondere eines dünnen kristallinen Vorrichtungssubstrats, aus einem Ausgangssubstrat, wobei das Verfahren eine thermische Behandlung einschließt. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf eine Wafer-Bearbeitungseinrichtung, um dünne kristalline Vorrichtungssubstrate zu erhalten, und auf eine Heizeinrichtung, um gespaltene Ausgangssubstrate zu erhitzen.
HINTERGRUND
Für Leistungs-Halbleitervorrichtungen mit einem vertikalen Laststromfluss zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite bedeutet ein dünneres Halbleiter-Die mit einem geringeren Abstand zwischen der Vorderseite und der Rückseite einen niedrigeren Einschalt- bzw. Durchlasswiderstand. Einfaches Schleifen eines Wafers auf eine Zieldicke verschwendet teures kristallines Halbleitermaterial. Wafer-Spaltprozesse, die dünne kristalline Scheiben von Halbleiterbarren bzw. -Boules abspalten, und Wafer-Twinning- bzw. -Dopplungsprozesse (engl.: twinning processes), die dünne Scheiben von standardmäßigen Halbleiter-Wafern abspalten, vermeiden Schleifprozesse und reduzieren den Verbrauch an teurem kristallinem Halbleitermaterial.
Es besteht ein ständiger Bedarf an der Verbesserung der Herstellung von kristallinen Substraten und Halbleitervorrichtungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats. Ein Ausgangssubstrat wird bereitgestellt, wobei das Ausgangssubstrat eine erste Hauptoberfläche, ein Substratmaterial und eine Release- bzw. Trennschicht (engl: release layer) in einem Abstand zur ersten Hauptoberfläche umfasst. Die Trennschicht enthält modifiziertes Substratmaterial. Eine Spannung erzeugende Schicht wird am Ausgangssubstrat so angebracht, dass die Spannung erzeugende Schichten mit der ersten Hauptoberfläche in Kontakt ist. Das Ausgangssubstrat und die Spannung erzeugende Schicht werden auf eine Temperatur unterhalb einer Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht gekühlt, wobei das Ausgangssubstrat entlang einer Spaltfläche durch die Trennschicht gespalten wird, wenn das Ausgangssubstrat unter die Glasübergangstemperatur gekühlt wird. Das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat wird erhitzt, wobei das Erhitzen ein berührungsloses volumetrisches Erhitzen umfasst.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Bearbeiten eines Substrats. Die Einrichtung enthält eine Kühleinheit, die dafür konfiguriert ist, das Substrat auf eine Temperatur unterhalb von 150 Grad Celsius zu kühlen, und eine Heizeinheit, die dafür konfiguriert ist, das gekühlte Substrat unter Verwendung eines Verfahrens zum berührungslosen volumetrischen Erhitzen zu erhitzen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung, die eine Strahlungsquelle und eine Trägerbasis enthält. Die Strahlungsquelle erzeugt elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km und setzt ein Probenvolumen (engl.: probe volume) der elektromagnetischen Strahlung aus. Die Trägerbasis trägt ein zu erhitzendes Halbleitersubstrat. Die Trägerbasis weist eine relative magnetische Permeabilität auf, die nicht größer als 1 ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind beigefügt, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu liefern, und sind in diese Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats, eine Einrichtung zum Bearbeiten eines Substrats und eine Heizeinrichtung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Ausführungsformen. Weitere Ausführungsformen werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben.

1A bis 1D zeigen schematische vertikale Querschnittsansichten eines Wafer-Komposits, das ein Ausgangssubstrat und eine Spannung erzeugende Schicht aufweist, um ein Verfahren zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats gemäß einer Ausführungsform, das ein Wafer-Spalten und ein anschließendes Erhitzen einschließt, zu veranschaulichen.
2 zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Wafer-Komposits, das auf einem flexiblen Band angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform.
3A bis 3B sind vereinfachte Blockdiagramme von Einrichtungen zum Kühlen und Erhitzen von Substraten gemäß weiteren Ausführungsformen.
4A ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung, die eine Spule aufweist, die eine Trägerplatte für ein Wafer-Komposit mit einem Ausgangssubstrat und einer Spannung erzeugenden Schicht gemäß einer Ausführungsform umgibt.
4B ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung, die eine Spule aufweist, die unterhalb einer Trägerplatte für ein Wafer-Komposit mit einem Ausgangssubstrat und einer Spannung erzeugenden Schicht gemäß einer Ausführungsform angeordnet ist.
5A ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung, die eine Spule aufweist, die eine Trägerplatte für ein Wafer-Komposit gemäß einer Ausführungsform umgibt, einschließlich einer Hilfsstruktur aus einem magneto-dielektrischen Material.
5B ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Heizeinrichtung, die eine Spule unterhalb eines Trägeranschlusses für ein Wafer-Komposit gemäß einer Ausführungsform aufweist, einschließlich einer Hilfsstruktur aus einem magneto-dielektrischen Material.
6 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Wafer-Bearbeitungseinrichtung, die einen Mikrowellengenerator und eine Hohlwellenleiterkammer gemäß einer anderen Ausführungsform aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen zeigen, in denen ein Verfahren zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats, ein kristallines Substrat, eine Einrichtung zum Bearbeiten eines Substrats und eine Heizeinrichtung in die Praxis umgesetzt werden können. Es versteht sich, dass weitere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Beispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, im Zusammenhang mit weiteren Ausführungsformen verwendet werden, um zu noch einer weiteren Ausführungsform zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Varianten umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche einschränkend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Veranschaulichungszwecken. Entsprechende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnet, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen sind offene Begriffe, und die Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Für Parameter angegebene Bereiche schließen die Randwerte ein. Beispielsweise liest sich ein Bereich für einen Parameter y von a bis b als a ≤ y ≤ b. Ein Parameter y mit einem Wert von zumindest c liest sich als c ≤ y, und ein Parameter y mit einem Wert von höchstens d liest sich als y ≤ d.
Der Begriff „auf“ ist nicht dahingehend aufzufassen, dass er nur „direkt auf“ bedeutet. Vielmehr kann, falls ein Element „auf“ einem anderen Element positioniert ist (z. B. eine Schicht „auf“ einer anderen Schicht oder „auf“ einem Substrat ist), eine weitere Komponente (z. B. eine weitere Schicht) zwischen den zwei Elementen positioniert sein (z. B. kann eine weitere Schicht zwischen einer Schicht und einem Substrat, falls die Schicht „auf“ dem Substrat ist, positioniert sein).
Der Begriff „Leistungs-Halbleitervorrichtung“ bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen mit einem hohen Spannungssperrvermögen, zum Beispiel 30 V, 100 V, 600 V, 3,3 kV oder mehr, und mit einem nominalen Einschaltstrom oder Durchlassstrom von zumindest 1 A, zum Beispiel 10 A oder mehr.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats. Bereitgestellt wird ein Ausgangssubstrat. Das Ausgangssubstrat umfasst ein Substratmaterial, eine erste Hauptoberfläche und eine Trennschicht in einem Abstand zur ersten Hauptoberfläche, wobei die Trennschicht modifiziertes Substratmaterial enthält. Eine Spannung erzeugende Schicht wird am Ausgangssubstrat so angebracht, dass die Spannung erzeugende Schicht mit der ersten Hauptoberfläche in Kontakt ist. Das Ausgangssubstrat und die Spannung erzeugende Schicht werden auf eine Temperatur unterhalb einer Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht gekühlt, wobei das Ausgangssubstrat entlang einer Spaltfläche durch die Trennschicht gespalten wird, wenn das Ausgangssubstrat unter die Glasübergangstemperatur gekühlt wird. Das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat wird erhitzt, wobei das Erhitzen ein berührungsloses volumetrisches Erhitzen umfasst.
Das Ausgangssubstrat bzw. Muttersubstrat kann ein Kristall-Ingot (Boule) aus einem einkristallinen Substratmaterial oder eine Scheibe in Wafer-Größe aus einem einkristallinen Substratmaterial, z. B. ein Wafer, sein. Das Ausgangssubstrat weist eine zweite Hauptoberfläche an einer Seite des Ausgangssubstrats auf, die der ersten Hauptoberfläche entgegengesetzt ist. Die ersten und zweiten Hauptoberflächen können planar und zueinander parallel sein. Alternativ dazu kann zumindest eine der ersten und zweiten Hauptoberflächen gewölbt, z. B. konkav oder konvex gewölbt, sein oder einen flachen Bereich und Gräben, z. B. keilförmige Gräben, enthalten, die sich vom flachen Bereich aus in das Halbleitersubstrat erstrecken.
Das Ausgangssubstrat kann ausschließlich das einkristalline Substratmaterial und das modifizierte Substratmaterial in der Trennschicht enthalten oder kann zusätzlich zu dem Substratmaterial und dem modifizierten Substratmaterial Strukturen aus anderen Materialien, z. B. leitfähige Strukturen und/oder isolierende Strukturen, enthalten.
Das modifizierte Substratmaterial kann einen oder mehrere Bestandteile enthalten, die die gleichen chemischen Elemente wie das nicht modifizierte Substratmaterial enthalten. Insbesondere kann das modifizierte Substratmaterial Bestandteile enthalten, die sich aus einer physikalischen, chemischen und/oder thermischen Umwandlung des Substratmaterials ergeben, wobei die Umwandlung eine zumindest teilweise Zersetzung des nicht modifizierten Substratmaterials einschließen kann.
Zusätzlich zu den Bestandteilen des nicht modifizierten Substratmaterials kann das modifizierte Substratmaterial eine Hilfskomponente enthalten, die im nicht modifizierten Substratmaterial nicht enthalten ist, oder enthält das modifizierte Substratmaterial eine Hilfskomponente, z. B. ein chemisches Element, dessen Konzentration im modifizierten Substratmaterial höher, zumindest eine Größenordnung höher als im nicht modifizierten Substratmaterial, ist. Bei der Hilfskomponente kann es sich um ein chemisches Element handeln.
Alternativ dazu enthält das modifizierte Substratmaterial die gleichen chemischen Elemente wie das nicht modifizierte Substratmaterial in zumindest ungefähr den gleichen Masseanteilen.
Beispielsweise kann das modifizierte Substratmaterial Poren wie etwa kommunizierende Hohlräume und/oder geschlossene Hohlräume enthalten, wobei ein nicht modifizierter Teil bzw. Bereich des Substratmaterials ein reguläres oder irreguläres Gitter oder eine andere Art von Stützstruktur bildet, um die Bereiche des Ausgangssubstrats auf beiden Seiten der Trennschicht zu verbinden. Die Hohlräume sind signifikant größer als ein von einem Gitteratom eingenommenes Volumen.
Insbesondere kann das modifizierte Substratmaterial Komponenten enthalten, die durch eine zumindest teilweise Zersetzung des nicht modifizierten Substratmaterials erhalten werden. Beispielsweise kann das modifizierte Substratmaterial erhalten werden, indem das Ausgangssubstrat Laserstrahlung, insbesondere einem gepulsten Laserstrahl, der eine Sequenz kurzer Laserimpulse umfasst, ausgesetzt wird. Die Impulslänge kann in einem Bereich von 1 fs bis 1 ps liegen. Ein Tastverhältnis der Laserimpulse kann in einem Bereich von 10 % bis 90 % liegen. Die Wellenlänge der Laserstrahlung kann in einem Bereich von 350 nm bis 3,5 µm liegen.
Zumindest ein Teil des Laserstrahls kann durch eine der Hauptoberflächen in das Ausgangssubstrat eintreten, und der Laserstrahl kann sich in einer Fokusebene in einem Abstand zu beiden Hauptoberflächen fokussieren. Die Position der Fokusebene und die Laserstrahlgeomtrie bestimmen den Abstand zwischen der Trennschicht und den Hauptoberflächen und eine vertikale Ausdehnung (Dicke) der Trennschicht. Die Laserstrahlung wandelt das Substrat thermisch in das modifizierte Substratmaterial um, wobei sich das modifizierte Substratmaterial und das nicht modifizierte Substratmaterial chemisch und/oder physikalisch voneinander unterscheiden. Substratmaterialien, bei denen es sich um chemische Verbindungen handelt, können in Gemische umgewandelt werden, die die chemischen Elemente der chemischen Verbindung als getrennte Substanzen bzw. Stoffe enthalten. Das Modifizieren des Substratmaterials kann das Ändern der Phase und/oder des kristallinen Zustands des Substratmaterials einschließen.
Die Trennschicht ist von beiden Hauptoberflächen beabstandet. Die Trennschicht kann sich horizontal und parallel zu der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche erstrecken.
Die Trennschicht kann sich über zumindest 90 % eines lateralen Querschnitts des Ausgangssubstrats erstrecken. Insbesondere kann ein Abstand zwischen einem äußeren Rand der Trennschicht und einer lateralen äußeren Oberfläche des Ausgangssubstrats höchstens 3 mm betragen.
Das Anbringen der Spannung erzeugenden Schicht am Ausgangssubstrat kann das Ausbilden einer Bindung zwischen der Spannung erzeugenden Schicht und dem Ausgangssubstrat einschließen. Bei der Bindung kann es sich um eine klebstofflose Bindung mit Haftkräften handeln, die zwischen der Spannung erzeugenden Schicht und dem Ausgangssubstrat direkt wirksam sind. Die Bindung kann beispielsweise kovalente, ionische und/oder metallische Bindungen direkt zwischen dem Ausgangssubstrat und der Spannung erzeugenden Schicht umfassen. Die Spannung erzeugende Schicht kann ein Material, das einen Glasübergang durchläuft, wie etwa einen Polymerfilm, ein anderes organisches Glas oder ein anorganisches Glas, enthalten oder daraus bestehen.
Wenn die Spannung erzeugende Schicht und das Ausgangssubstrat unter die Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht gekühlt werden, zieht sich die Spannung erzeugende Schicht zusammen und beginnt, eine mechanische Spannung in das Ausgangssubstrat einzuleiten bzw. einzubringen. Die mechanische Spannung spaltet das Ausgangssubstrat entlang einer sich grob lateral durch die Trennschicht erstreckenden planaren oder gerippten Spaltfläche in zwei. Insbesondere kann das Ausgangssubstrat in einen dünnen ersten Teil bzw. Bereich, der an der Spannung erzeugenden Schicht haften bleibt, und einen zweiten Bereich gespalten werden, der mit dem ersten Bereich in Kontakt, aber strukturell von ihm getrennt ist. Der erste Bereich und der zweite Bereich können sich relativ zueinander frei bewegen; aber der physische Kontakt zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich erlaubt noch eine gute Wärmeleitung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich. Der erste Bereich kann eine Dicke von höchstens 1 mm, z. B. höchstens 150 um oder gar höchstens 100 um, und zumindest 20 um aufweisen. Der erste Bereich kann als Vorrichtungssubstrat zum Ausbilden integrierter Schaltungen wie etwa Leistungs-Halbleitervorrichtungen genutzt werden. Der zweite Bereich kann gereinigt und poliert werden. Der Prozess wird dann mehrere Male wiederholt, wobei der aus dem vorhergehenden Prozess erhaltene zweite Bereich jedes Mal das Ausgangssubstrat für den folgenden Prozess bereitstellt.
Beim berührungslosen Heizprozess findet kein leitendes Erhitzen, d. h. keine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung von einer Heizquelle außerhalb des Ausgangssubstrats zum Ausgangssubstrat über einen direkten physischen Kontakt, statt. Insbesondere steht im berührungslosen Heizprozess das Ausgangssubstrat nicht in direktem Kontakt mit einer heißen Platte oder einer erhitzten Suszeptorplatte. Das Ausgangssubstrat steht ebenfalls nicht in direktem Kontakt mit einem Fluid, das durch eine Heizquelle außerhalb des Ausgangssubstrats erhitzt wird und entlang der Oberfläche des gespaltenen Ausgangssubstrats strömt, welches Fluid Umgebungsluft, Prozessgas und/oder eine Prozessflüssigkeit umfassen kann. Nichtsdestotrotz kann das Erhitzen des gekühlten und gespaltenen Ausgangssubstrats zusätzlich zum berührungslosen Erhitzen beliebige Arten des Erhitzens mittels Leitung einschließen.
Der volumetrische Heizprozess erhitzt das Ausgangssubstrat, indem thermische Energie nicht nur an der Oberfläche, sondern in zumindest einem signifikanten Bereich des Volumens des Ausgangssubstrats, z. B. in einer Oberflächenschicht von zumindest 3,5 cm, zumindest 2 cm, zumindest 1 cm, zumindest 5 mm oder zumindest 2 mm, erzeugt wird. Im Vergleich mit dem Erhitzen mit Infrarotstrahlungsquellen wie etwa RTP-Infrarotlampen oder Quarz-Infrarotheizelementen erzeugt das volumetrische Erhitzen Wärme in einem signifikant größeren Teil des Volumens des Ausgangssubstrats als es für RTP-Infrarotlampen der Fall ist, die Wärme nur in einer dünnen Oberflächenschicht erzeugen. Infolgedessen sind das Eindringen der Wärme und die Wärmeverteilung im Ausgangssubstrat gleichmäßiger.
Das volumetrische Erhitzen der beiden Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats stellt eine gleichmäßige Temperaturverteilung in beiden Teilen des gespaltenen Ausgangssubstrats zu jedem Zeitpunkt während des vergleichsweise schnellen Erhitzens der beiden Teile des gespaltenen Ausgangssubstrats sicher. Thermomechanische Spannungen, die sich aus unterschiedlichen Volumenausdehnungsraten aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung ergeben, die die Ursache für Kristalldefekte sein können, können vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat in einer Kammer erhitzt werden, wobei das volumetrische Erhitzen das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat in Bezug auf Komponenten der Heizkammer selektiv erhitzt.
Die Heizkammer kann eine Kammerwand umfassen, die ein Kammervolumen umschließt, in dem das Ausgangssubstrat platziert werden kann. Außerdem kann die Heizkammer im Kammervolumen montierte Installationen bzw. Einbauten, z. B. Platten und/oder eine Trägervorrichtung mit einer Suszeptorplatte, enthalten.
Während des Erhitzens heizen sich zumindest einige der Komponenten der Heizkammer mit einer langsameren Rate und/oder mit einer geringeren Effizienz als das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat auf. Beispielsweise wird die Innenwand der Kammer vorwiegend oder ausschließlich nur durch thermische Strahlung vom sich erwärmenden Ausgangssubstrat erhitzt. Die Selektivität kann durch eine geeignete Richtcharakteristik der zum volumetrischen Erhitzen genutzten Strahlung, z. B. eine geeignete Antennen-Richtcharakteristik, erzielt werden, und/oder indem die Strahlungswellenlänge zum volumetrischen Erhitzen und das Material für die Komponenten so ausgewählt werden, dass eine hohe Extinktion für die zum volumetrischen Erhitzen genutzte Strahlung für die Komponenten erreicht wird. Beispielsweise kann eine Strahlungsfrequenz von 2,4 GHz in Kombination mit einer Al-Kammerwand genutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das volumetrische Erhitzen beinhalten, dass das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km entsprechend einem Frequenzbereich von etwa 300 kHz bis etwa 300 GHz ausgesetzt wird. Die Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung kann vergleichsweise schmal sein.
Beispielsweise kann eine normierte bzw. anteilige Bandbreite (engl.: fractional bandwidth) der elektromagnetischen Strahlung in Bezug auf die Mittenfrequenz in Prozent höchstens 10 % betragen.
Gemäß einer Ausführungsform wird das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat auf eine Endtemperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht, z. B. oberhalb 0 Grad Celsius, erhitzt.
Die Sprödigkeit beider Teile des gespaltenen Ausgangssubstrats und die Sprödigkeit der Spannung erzeugenden Schicht sind bei und unterhalb der Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht vergleichsweise hoch. Indem man das gespaltene Ausgangssubstrat über die Glasübergangstemperatur erhitzt, werden beide Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats und der Polymerfilm weniger spröde und ist die weitere Handhabung beider Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats und des Polymerfilms weniger kritisch.
Beispielsweise wird das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat auf zumindest 0 Grad Celsius, zumindest 15 Grad Celsius oder zumindest 20 Grad Celsius erhitzt. Das Erhitzen der beiden Bereiche des Ausgangssubstrats auf eine Temperatur um die Umgebungstemperatur vermeidet den Niederschlag von Feuchtigkeit auf der Oberfläche der beiden Bereiche des Ausgangssubstrats und kann die weitere Handhabung der beiden Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats und der Spannung erzeugenden Schicht mit Handhabungswerkzeugen vereinfachen, die pneumatische Saugvorrichtungen, z. B. Saugkappen oder Unterdruck-Spannvorrichtungen, nutzen, um die beiden Teile des gespaltenen Ausgangssubstrats vorübergehend zu fixieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat innerhalb von höchstens drei Minuten auf die Endtemperatur erhitzt werden.
Das volumetrische Erhitzen der beiden Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats stellt eine gleichmäßige Temperaturverteilung in beiden Teilen des gespaltenen Ausgangssubstrats zu allen Zeiten, selbst während des vergleichsweise schnellen Erhitzens der beiden Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats, sicher. In das Ausgangssubstrat wird nur ein geringes Maß an thermomechanischer Spannung eingebracht. Eine ungenutzte Zeit zwischen dem Spaltprozess und einem Transport der beiden getrennten Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats zu einer nächsten Prozessstation kann reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das volumetrische Erhitzen, dass das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 m entsprechend einem Frequenzbereich von 300 GHz bis hinab zu 300 MHz ausgesetzt wird. In diesem Fall nutzt das volumetrische Erhitzen Frequenzen, die für eine typische Mikrowellenheizung genutzt werden, aber ohne Frequenzen, die für eine HF-Heizung genutzt werden.
In dem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 m können erprobte und getestete Ansätze für eine Mikrowellenheizung genutzt werden. Bei der Mikrowellenheizung erzeugt eine Strahlungsquelle schnell variierende elektrische und magnetische Felder, die in einem Kammervolumen wirksam sind. Wenn das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat in der Volumenkammer angeordnet wird, durchdringen elektrische und magnetische Felder das Ausgangssubstrat. Im gekühlten und gespaltenen Ausgangssubstrat können die schnell variierenden elektrischen und magnetischen Felder je nach der Art des Substratmaterial zumindest einen der vier Heizmechanismen a), b), c), d) aktivieren: a) jedes an ein leitfähiges Material angelegte elektrische Feld bewirkt, dass ein Strom fließt; b) jedes zeitlich variierende Feld bewirkt, dass dipolare Moleküle oszillieren und/oder rotieren (dielektrisches Erhitzen); c) jedes zeitlich variierende magnetische Feld, das ein leitfähiges Material angelegt wird, induziert einen Stromfluss; d) jedes zeitlich variierende magnetische Feld, das an bestimmte Arten magnetischer Materialien angelegt wird, erzeugt Hystereseverluste. Beispielsweise kann das dielektrische Erhitzen der dominierende Effekt für ein Ausgangssubstrat aus kristallinem Siliziumcarbid SiC sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das volumetrische Erhitzen beinhalten, dass das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 10 m bis 1 km ausgesetzt wird, der grob einem Frequenzbereich von 30 MHz bis hinab zu etwa 300 kHz entspricht. In diesem Fall nutzt das volumetrische Erhitzen für eine typische Induktionsheizung genutzte Funk- bzw. Radiofrequenzen.
Im Wellenlängenbereich von 10 m bis 1 km können erprobte und getestete Ansätze, die typischerweise zur Induktionsheizung genutzt werden, angewendet werden. Eine Induktionsspule kann ein elektromagnetisches Feld erzeugen, wobei das Feld innerhalb der Spule und in den Gebieten nahe den Endflächen der Spule hoch ist. Im Fall leitfähiger Ausgangssubstrate findet ein Erhitzen mittels Induktion statt, wobei das alternierende magnetische Feld in das in der Spule oder in den Volumina nahe den Endflächen platzierte Ausgangssubstrat eindringt. Das alternierende magnetische Feld erzeugt elektrische Ströme (Wirbelströme) im leitfähigen Ausgangssubstrat. Die elektrischen Ströme haben Widerstandsverluste zur Folge, die das Substratmaterial erhitzen. Für nicht leitfähige Ausgangssubstrate kann ein dielektrisches Erhitzen erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren das Anbringen einer Trägervorrichtung an einer Seite der Spannung erzeugenden Schicht, die dem Ausgangssubstrat entgegengesetzt ist, vor den Kühlen des Ausgangssubstrats umfassen.
Die Trägervorrichtung kann ein flexibles Band und/oder eine starre Platte, z. B. eine Scheibe, mit zwei parallelen Arbeitsflächen sein oder enthalten, wobei eine erste Arbeitsfläche an einer Vorderseite der Trägervorrichtung mit der Spannung erzeugenden Schicht in Kontakt ist. Die erste Arbeitsfläche der Trägervorrichtung kann die Spannung erzeugende Schicht vollständig bedecken und kann sich lateral über den lateralen Rand der Spannung erzeugenden Schicht hinaus erstrecken. Beispielsweise können die Trägervorrichtung und die Spannung erzeugende Schicht kreisförmig sein. Die Spannung erzeugende Schicht kann in der Mitte der ersten Arbeitsfläche angeordnet sein. Ein Durchmesser der ersten Arbeitsfläche kann gleich einem oder größer als ein Durchmesser der Spannung erzeugenden Schicht sein.
Die Trägervorrichtung kann mit einem homogenen Hauptkörper einteilig oder mit zumindest zwei verbundenen Teilen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, mehrteilig sein. Beispielsweise kann die Trägervorrichtung ein an der Spannung erzeugenden Schicht angebrachtes flexibles Band und einen starren Rahmen umfassen, der das flexible Band in alle lateralen Richtungen dehnt.
Eine andere Ausführungsform betrifft eine Einrichtung zum Bearbeiten eines Substrats. Die Einrichtung kann eine Kühleinheit und eine Heizeinheit umfassen. Die Kühleinheit ist imstande, das Substrat auf eine Temperatur unterhalb -50 Grad Celsius, z. B. unterhalb -150 Grad Celsius, zu kühlen. Die Heizeinheit ist imstande, das gekühlte Substrat unter Anwendung eines Verfahrens zum berührungslosen volumetrischen Erhitzen zu erhitzen.
Bei dem Substrat kann es sich um einen zylindrischen Stab oder eine zylindrische Scheibe, z. B. einen einkristallinen Halbleiter-Boule oder einen Halbleiter-Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm, 200 mm, 150 mm, 125 mm, 4 Zoll oder 3 Zoll, handeln. Das Verfahren zum volumetrischen Erhitzen erhitzt das Substrat, indem das gekühlte Substrat einer elektromagnetischen Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km ausgesetzt wird.
Die Kühleinheit kann eine Kühlkammer enthalten, die das Substrat aufnimmt. Die Heizeinheit kann eine Heizkammer enthalten, die das gekühlte Substrat aufnimmt. Ferner kann die Einrichtung eine Transporteinheit umfassen, die imstande ist, das Substrat von der Kühleinheit zur Heizeinheit zu transportieren.
Alternativ dazu kann die Einrichtung eine Prozesskammer enthalten, wobei die Kühleinheit dafür konfiguriert ist, ein in der Prozesskammer platziertes Substrat auf eine Temperatur unterhalb von -50 Grad Celsius, z. B. unterhalb -150 Grad Celsius, zu kühlen, und wobei die Heizeinheit dafür konfiguriert ist, das in der Prozesskammer platzierte gekühlte Substrat unter Anwendung des berührungslosen volumetrischen Erhitzens zu erhitzen.
Die Heizeinheit kann eine Strahlungsquelle enthalten, die dafür konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km zu emittieren und ein Probenvolumen in der Heizkammer der emittierten elektromagnetischen Strahlung auszusetzen. Das Probenvolumen ist ausreichend groß, um das Substrat darin anzubringen.
Die Strahlungsquelle kann eine Stromquelle und eine Spule umfassen, wobei die Stromquelle dafür konfiguriert ist, Wechselstrom mit einer Frequenz in einem Bereich von etwa 300 kHz bis etwa 30 MHz abzugeben und den Wechselstrom durch die Spule zu treiben.
Das Probenvolumen ist in der Spule oder in einer Verlängerung der Spulenachse neben einer der Endflächen der Spule gelegen. Die Spule kann eine spiralförmige Wicklung in einer Ebene aufweisen oder kann mehrere Wicklungen entlang einer Seitenwand eines virtuellen Zylinders aufweisen. Die Strahlungsquelle kann ferner Hilfsstrukturen aus einem magneto-dielektrischen Material enthalten. Die Hilfsstrukturen können angeordnet sein, um die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in einem im Probenvolumen erhitzten Substrat zu erhöhen. Der Durchmesser der Spule kann größer als jener einer Trägerbasis sein oder kann kleiner als jener der Trägerbasis sein, wobei die Spule oberhalb der Trägerbasis angeordnet ist. In einem anderen Beispiel fehlt die Trägerbasis und wird ein Teil des Substrats, z. B. die Trägervorrichtung, genutzt, um das Substrat in der Heizkammer zu fixieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Strahlungsquelle einen Mikrowellengenerator und eine Hohlwellenleiterkammer umfassen, die das Probenvolumen umgibt, wobei der Mikrowellengenerator so konfiguriert ist, dass er eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz in einem Bereich von 300 MHz bis 300 GHz abgibt und die elektromagnetische Welle zur Wellenleiterkammer durchlässt bzw. weiterleitet.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung, die eine Strahlungsquelle enthalten kann, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km erzeugt und ein Probenvolumen der emittierten elektromagnetischen Strahlung aussetzt. Eine Trägerbasis kann eine relative magnetische Permeabilität aufweisen, die nicht größer als 1 ist.
Die Strahlungsquelle kann eine Spule, die so konfiguriert ist, dass sie ein magnetisches Feld erzeugt, wenn sie mit elektrischem Strom versorgt wird, oder einen Mikrowellengenerator enthalten.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrats. Das Verfahren kann das Anordnen eines Halbleitersubstrats in einem Probenvolumen einer Heizkammer umfassen. Das Halbleitersubstrat im Probenvolumen wird erhitzt, wobei das Erhitzen ein berührungsloses volumetrisches Erhitzen einschließt.
Vor dem Erhitzen des Halbleitersubstrats kann das Halbleitersubstrat von einer Anfangstemperatur aus gekühlt werden. Das volumetrische Erhitzen kann beinhalten, dass das Halbleitersubstrat elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km entsprechend einem Frequenzbereich von etwa 300 GHz bis hinab zu etwa 300 kHz ausgesetzt wird.
1A bis 1D veranschaulichen ein Verfahren zum Spalten eines Ausgangssubstrats 110 basierend auf der Glasübergangstemperatur einer Spannung erzeugenden Schicht 120.
1A zeigt ein Wafer-Komposit 100, das ein Ausgangssubstrat 110 und eine Spannung erzeugende Schicht 120 umfasst, wobei das Wafer-Komposit 100 mit der Spannung erzeugenden Schicht 120 auf einer Trägervorrichtung 190 ruht.
Eine Mittelachse 117 des Ausgangssubstrats 110 definiert eine vertikale Richtung (z-Achse). Zur Mittelachse 117 orthogonale Richtungen sind horizontale Richtungen, auf die im Folgenden auch als laterale Richtungen verwiesen wird.
Das Ausgangssubstrat 110 ist ein Kristall-Ingot (Boule) aus einem einkristallinen Material oder eine Scheibe in Wafer-Größe aus einem einkristallinen Material (z. B. ein Wafer). Mit Ausnahme eines modifizierten Substratmaterials innerhalb einer Trennschicht 114 enthält das Ausgangssubstrat 110 ausschließlich das einkristalline Material oder enthält zusätzlich zu einem aus dem einkristallinen Material gebildeten Hauptbereich Strukturen aus anderen Materialien, z. B. leitfähige Strukturen und/oder isolierende Strukturen, die auf dem Ausgangssubstrat 110 ausgebildet sind und/oder sich in dieses erstrecken.
Bei dem einkristallinen Material kann es sich um eine Keramik, z. B. α-Al₂O₃ (Saphir), oder ein Halbleitermaterial handeln. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise irgendein elementarer Halbleiter der Gruppe IV, zum Beispiel Silizium Si oder Germanium Ge, irgendein Verbindungshalbleiter der Gruppe IV, z. B. Siliziumcarbid SiC oder Siliziumgermanium SiGe, oder irgendein Verbindungshalbleiter der Gruppe III/V, wie etwa Galliumarsenid GaAs oder Galliumnitrid GaN, sein.
Insbesondere kann es sich bei dem Material des Ausgangssubstrats um 15R-SiC (Siliziumcarbid des 15R-Polytyps) oder Siliziumcarbid mit einem hexagonalen Polytyp, zum Beispiel 2H-SiC, 4H-SiC oder 6H-SiC, handeln. Zusätzlich zu den Hauptbestandteilen, z. B. Silizium und Kohlenstoff, kann das Ausgangssubstrat 110 Dotierstoffatome, zum Beispiel Stickstoff N, Phosphor P, Beryllium Be, Bor B, Aluminium Al und/oder Gallium Ga, enthalten. Außerdem kann das Ausgangssubstrat 110 unerwünschte Verunreinigungen, zum Beispiel Wasserstoff, Fluor und/oder Sauerstoff, enthalten.
Das Ausgangssubstrat 110 weist eine erste Hauptoberfläche 111 an einer Vorderseite und eine zweite Hauptoberfläche 112 an einer Rückseite auf. Sowohl die erste Hauptoberfläche 111 als auch die zweite Hauptoberfläche 112 können flach, leicht konkav oder leicht konvex sein oder können gerade oder keilförmige Gräben enthalten, die sich in das Ausgangssubstrat 110 erstrecken. Sowohl die ersten als auch die zweiten Hauptoberflächen 111, 112 können glatt oder feingerippt sein, wobei Sektionen von verschiedenen Kristallebenen gebildet werden. Beispielsweise kann ein aus einem hexagonalen Kristall mit Wurtzit-Struktur gebildetes Ausgangssubstrat 110 zumindest eine Hauptoberfläche 111, 112 aufweisen, die aus einem außeraxialen Schnitt (engl.: offaxis cut) von einigen Grad in Bezug auf die [0001]-Kristallebenen (c-Ebenen) erhalten wird, und kann die betreffende Hauptoberfläche 111, 112 erste Sektionen, die von [0001]-Kristallebenen (c-Ebenen) gebildet werden, und zweite Sektionen aus anderen Kristallebenen, z. B. a-Ebenen und m-Ebenen, aufweisen. Das Ausgangssubstrat 110 kann eine vertikale Ausdehnung d1 in einem Bereich von 30 µm oder 50 µm oder 100 µm bis zu einigen Dezimetern aufweisen.
Das Ausgangssubstrat 110 enthält eine Trennschicht 114, die sich horizontal durch zumindest einen Großteil der lateralen Querschnittsfläche des Ausgangssubstrats 110 erstreckt. Die Trennschicht 114 enthält physikalisch und/oder chemisch modifiziertes Substratmaterial. Die Trennschicht 114 ist von sowohl der ersten Hauptoberfläche 111 als auch der zweiten Hauptoberfläche 112 beabstandet.
Das modifizierte Substratmaterial unterscheidet sich chemisch und/oder physikalisch vom nicht modifizierten Substratmaterial. Beispielsweise enthält das modifizierte Substratmaterial eine Hilfskomponente, die im nicht modifizierten Substratmaterial überhaupt nicht vorhanden ist oder nicht in gleichem Maße vorhanden ist. Alternativ dazu enthält das modifizierte Substratmaterial die gleichen chemischen Elemente wie das nicht modifizierte Substratmaterial in zumindest annähernd denselben Masseanteilen, aber das modifizierte Substratmaterial ist porös, während das nicht modifizierte Substratmaterial dies nicht ist, oder ist in einem größeren Ausmaß als das nicht modifizierte Substratmaterial porös, oder das modifizierte Substratmaterial enthält ein Umwandlungsprodukt, z. B. ein Zersetzungsprodukt des nicht modifizierten Substratmaterials.
Die Spannung erzeugende Schicht 120 enthält ein Material oder besteht aus einem Material, das, wenn es von unterhalb auf oberhalb der Glasübergangstemperatur erhitzt wird, einen Glasübergang und, wenn es von oberhalb der Glasübergangstemperatur auf unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt wird, eine Verglasung durchläuft.
Die Spannung erzeugende Schicht 120 ist an der ersten Hauptoberfläche 111 des Ausgangssubstrats 110 angebracht. Die Spannung erzeugende Schicht 120 ist direkt an das Ausgangssubstrat 110 gebondet oder ist an das Ausgangssubstrat 110 mittels eines Klebstoffs gebondet, der auf die Spannung erzeugende Schicht 120 und/oder die erste Hauptoberfläche 111 des Ausgangssubstrats 110 aufgebracht wird, bevor die Spannung erzeugende Schicht 120 mit dem Ausgangssubstrat 110 in Kontakt gebracht wird. Eine laterale Querschnittsfläche der Spannung erzeugenden Schicht 120 kann kleiner als, gleich der oder größer als die laterale Querschnittsfläche des Ausgangssubstrats 110 sein. Eine vertikale Ausdehnung d2 der Spannung erzeugenden Schicht 120 kann in einem Bereich von 500 µm bis 10 mm, z. B. von 800 µm bis 4 mm, liegen.
Die Spannung erzeugende Schicht 120 des Wafer-Komposits 100 ist auf einer flachen Arbeitsfläche 191 einer Trägervorrichtung 190 angeordnet.
Die Trägervorrichtung 190 enthält ein flexibles Band oder eine starre Platte und weist zwei parallele Arbeitsflächen 191, 192 auf, wobei eine erste Arbeitsfläche 191 an einer Vorderseite der Trägervorrichtung 190 mit der Spannung erzeugenden Schicht 120 in Kontakt ist. Die erste Arbeitsfläche 191 der Trägervorrichtung 190 bedeckt die Spannung erzeugende Schicht 120 vollständig und erstreckt sich lateral über den lateralen Rand der Spannung erzeugenden Schicht 120 hinaus. Die Mittelachse 117 des Wafer-Komposits 100 ist in der Mitte der ersten Arbeitsfläche 191 angeordnet. Ein Durchmesser der ersten Arbeitsfläche 191 ist größer als ein Durchmesser der Spannung erzeugenden Schicht 120.
Die Spannung erzeugende Schicht 120 kann an die erste Arbeitsfläche 191 direkt gebondet oder angeklebt sein. Beispielsweise ist die erste Arbeitsfläche 191 klebrig, wobei sich eine schwache Bindung zwischen der Spannung erzeugenden Schicht 120 und der Trägervorrichtung 190 allein durch Anordnen des Wafer-Komposits 100 auf der Trägervorrichtung 190 aufbaut.
Das Wafer-Komposit 100 mit dem Ausgangssubstrat 110 und der Spannung erzeugenden Schicht 120 wird von einer Anfangstemperatur oberhalb einer Glasübergangstemperatur TGT der Spannung erzeugenden Schicht 120 auf eine Temperatur TC unterhalb der Glasübergangstemperatur TGT abgekühlt. Die Anfangstemperatur kann oberhalb von 0 Grad liegen. Insbesondere ist die Anfangstemperatur gleich der Umgebungstemperatur.
Wenn die Spannung erzeugende Schicht 120 unter die Glasübergangstemperatur abgekühlt wird, wird das Material der Spannung erzeugenden Schicht 120 verglast, wobei es von einem viskoseren Zustand in einen harten und spröden nicht kristallinen amorphen Festkörper übergeht.
Bei der Verglasung beginnt die Spannung erzeugende Schicht 120, eine mechanische Spannung in das Ausgangssubstrat 110 einzubringen. Die mechanische Spannung spaltet das Ausgangssubstrat 110 entlang einer sich annähernd lateral durch die Trennschicht 114 erstreckenden planaren oder gerippten Spaltfläche 115 in zwei. Ein dünner erster Bereich 118 bleibt an der Spannung erzeugenden Schicht 120 angebracht. Ein zweiter Bereich 119 bleibt in Kontakt mit dem ersten Bereich 118, aber davon strukturell getrennt. Der erste Bereich 118 und der zweite Bereich 119 können sich in Bezug aufeinander frei bewegen. Der erste Bereich 118 kann eine Dicke von höchstens 1 mm, zum Beispiel höchstens 500 µm oder sogar höchstens 120 µm, und zumindest 20 µm aufweisen. Der erste Bereich 118 kann als Vorrichtungssubstrat zum Ausbilden integrierter Schaltungen wie etwa Leistungs-Halbleitervorrichtungen genutzt werden. Der zweite Bereich 119 kann gereinigt und poliert werden. Der Prozess kann mehrere Male wiederholt werden, wobei jedes Mal der aus dem vorhergehenden Prozess erhaltene zweite Bereich 119 das Ausgangssubstrat 110 für den folgenden Prozess bereitstellt.
Wie in 1B veranschaulicht ist, spaltet die ausgeübte mechanische Spannung das Ausgangssubstrat 110 entlang einer Spaltfläche 115 in einen ersten Bereich 118 und einen zweiten Bereich. Die Spaltfläche 115 erstreckt sich durch die Trennschicht 114. Im Fall eines Substratmaterials, das auf einer hexagonalen Kristallstruktur basiert und unter einem außeraxialen Winkel in Bezug auf die c-Ebene geschnitten wird, ist die Spaltfläche 115 typischerweise eine gerippte Oberfläche, wobei Sektionen von verschiedenen Kristallhauptebenen, z. B. c-Ebenen und a-Ebenen und/oder m-Ebenen, gebildet werden.
Der erste Bereich 118 des gespaltenen Ausgangssubstrats 110 bleibt an der Spannung erzeugenden Schicht 120 angebracht. Der zweite Bereich 119 ruht auf dem ersten Bereich 118. Der erste Bereich 118, der zweite Bereich 119 und die Spannung erzeugende Schicht 120 werden durch berührungsloses volumetrisches Erhitzen auf eine Temperatur TH oberhalb der Glasübergangstemperatur TGT, z. B. auf die Anfangstemperatur, erhitzt.
Das volumetrische Erhitzen erzeugt Wärme direkt in einem signifikanten Teil des Volumens des Ausgangssubstrats 110. Der physikalische Kontakt zwischen dem ersten Bereich 118 und dem zweiten Bereich 119 ermöglicht noch eine gute Wärmeleitung zwischen dem ersten Bereich 118 und dem zweiten Bereich 119. In Kombination mit einer ausreichend hohen Wärmeleitfähigkeit im Ausgangssubstrat 110 ermöglicht das volumetrische Erhitzen ein schnelleres und gleichmäßigeres Erhitzen des Ausgangssubstrats 110 als das Erhitzen mit RTP-Infrarotlampen. Thermomechanische Spannungen, die sich aus unterschiedlichen Volumenausdehnungsraten infolge einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung ergeben, die die Ursache von Kristalldefekten sein können, können vermieden werden.
Das volumetrische Erhitzen erhitzt das Ausgangssubstrat 110 selektiv in Bezug auf andere Komponenten einer Heizkammer, in der das Erhitzen stattfindet. Beispielsweise sind die ersten und zweiten Bereiche 118, 119 des Ausgangssubstrats 110 elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km entsprechend einem Frequenzbereich von etwa 300 kHz bis 300 GHz ausgesetzt.
Das volumetrische Erhitzen unter Ausnutzung elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 m nutzt Frequenzen für erprobte und getestete Mikrowellenerwärmungsprozesse. Das volumetrische Erhitzen unter Ausnutzung elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 10 m bis 1 km nutzt Hochfrequenzen, die für typische erprobte und getestete Induktionsheizungsverfahrens genutzt werden.
1C zeigt den ersten Bereich 118 und den zweiten Bereich 119 des gespaltenen Ausgangssubstrats 110 bei einer Temperatur TH oberhalb der Glasübergangstemperatur TGT. Die Spannung erzeugende Schicht 120 vollzieht einen Glasübergang und wechselt zurück in den viskoseren Zustand.
Die Sprödigkeit beider Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats 110 und die Sprödigkeit der Spannung erzeugenden Schicht 120 sind bei und unterhalb der Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht 120 vergleichsweise hoch. Durch Erhitzen des ersten Bereichs 118 und des zweiten Bereichs 119 auf oberhalb der Glasübergangstemperatur TGT werden der erste Bereich 118 und der zweite Bereich 119 des gespalteten Ausgangssubstrats 110 sowie die Spannung erzeugende Schicht 120 weniger spröde. Die Handhabung des ersten Bereichs 118 und des zweiten Bereichs 119 des gespaltenen Ausgangssubstrats 110 und der Spannung erzeugenden Schicht 120 ist weniger kritisch.
Beispielsweise wird das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat 110 auf zumindest 0 Grad Celsius, zumindest 15 Grad Celsius oder zumindest 20 Grad Celsius erhitzt. Das Erhitzen der beiden Bereiche 118, 119 des Ausgangssubstrats 110 auf eine Temperatur um die Umgebungstemperatur herum vermeidet einen Niederschlag an Feuchtigkeit auf der Oberfläche der beiden Bereiche 118, 119 des Ausgangssubstrats 110 und kann die weitere Handhabung der beiden Bereiche 118, 119 des gespaltenen Ausgangssubstrats 110 und der Spannung erzeugenden Schicht 120 mit Handhabungswerkzeugen vereinfachen, die pneumatische Saugvorrichtungen, z. B. Saugkappen oder Unterdruck-Spannvorrichtungen, nutzen, um die beiden Bereiche des gespaltenen Ausgangssubstrats 110 vorübergehend zu fixieren.
Der zweite Bereich 119 kann vom ersten Bereich 118 abgehoben werden.
1D zeigt den vom ersten Bereich 118 getrennten zweiten Bereich 119.
Der erste Bereich 118 kann als Vorrichtungssubstrat weiterbearbeitet werden, um Leistungs-Halbleitervorrichtungen, z. B. Leistungs-Halbleitervorrichtungen aus SiC mit einem vertikalen Laststromfluss zwischen Hauptoberflächen, herzustellen.
Im zweiten Bereich 119 kann eine weitere Trennschicht ausgebildet werden, um eine weitere Vorrichtungsschicht abzutrennen.
2 zeigt eine Ausführungsform einer mehrteiligen Trägervorrichtung 190 mit zwei, aus unterschiedlichen Materialien geschaffenen verbundenen Teilen. Die Trägervorrichtung 190 umfasst ein flexibles Band 194 und einen starren Rahmen 195, der das flexible Band 194 in alle lateralen Richtungen dehnt. Ein Wafer-Komposit 100, das ein Ausgangssubstrat 110 und eine Spannung erzeugende Schicht 120 umfasst, ist am flexiblen Band 194 angebracht, wobei eine flache Oberfläche der Spannung erzeugenden Schicht 120, die dem Ausgangssubstrat 110 entgegengesetzt ist, direkt an eine flache Arbeitsfläche des flexiblen Bandes 194 gebondet oder angeklebt werden kann.
3A und 3B zeigen Einrichtungen 400, um ein Substrat 500 zu bearbeiten. Das Substrat 500 kann ein Wafer-Komposit 100 wie mit Verweis auf 1A bis 1D beschrieben sein, und die Einrichtungen 400 können genutzt werden, um das Verfahren wie mit Verweis auf 1A bis 1D beschrieben durchzuführen.
Jede Einrichtung 400 umfasst eine Kühleinheit 410 und eine Heizeinheit 460. Die Kühleinheit 410 enthält eine Kühlquellenvorrichtung 415, die Kälte erzeugt. Die Kühleinheit 410 nutzt die von der Kühlquellenvorrichtung 415 erzeugte Kälte, um das Substrat 500 auf eine Temperatur unterhalb von -50 Grad Celsius, z. B. unter -150 Grad Celsius, zu kühlen.
Die Heizeinheit 460 enthält eine Heizquellenvorrichtung 465, die Wärme direkt in zumindest Teilen des vorher gekühlten Substrats 500 unter Ausnutzung eines Verfahrens zum berührungslosen volumetrischen Erhitzen erzeugt. Insbesondere erwärmt das Verfahren zum volumetrischen Erhitzen das Substrat 500, indem das gekühlte Substrat 500 elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km ausgesetzt wird. Zu diesem Zweck enthält die Heizquellenvorrichtung 465 eine Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km emittiert, wobei ein Probenvolumen in der Heizkammer 461 der emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird und wobei das Probenvolumen ausreichend groß ist, um zumindest einen größeren Teil des Substrats 500 aufzunehmen.
Eine Controller-Einheit 490 steuert die Kühlquellenvorrichtung 415 und die Heizquellenvorrichtung 465 so, dass die Temperatur des Substrats 500 während der Kühlung und des Erhitzens einer vorbestimmten Temperaturkurve folgt.
Die Kühleinheit 410 der Einrichtung 400, die in 3A dargestellt ist, enthält eine Kühlkammer 411, die das Substrat 500 aufnimmt. Die Heizeinheit 460 der Einrichtung 400 enthält eine Heizkammer 461, die das gekühlte Substrat 500 aufnimmt. Eine Transporteinheit 470 transferiert das gekühlte Substrat 500 von der Kühlkammer 411 zur Heizkammer 461.
In 3B enthält die Einrichtung 400 eine Mehrzweck-Prozesskammer 450, die von der Kühleinheit 410 und der Heizeinheit 460 gemeinsam genutzt wird. Die Kühlquellenvorrichtung 415 ist so konfiguriert, dass sie die Prozesskammer 450 auf eine Temperatur unter -50 Grad Celsius, z. B. -150 Grad Celsius, kühlt. Die Heizquellenvorrichtung 465 ist so konfiguriert, dass sie das gekühlte Substrat 500 in der Prozesskammer 450 unter Ausnutzung des berührungslosen volumetrischen Erhitzens erhitzt.
4A, 4B, 5A, 5B zeigen Einrichtungen 400, um ein Substrat elektromagnetischer Strahlung in einem Frequenzbereich von etwa 300 kHz bis etwa 30 MHz auszusetzen. Das Substrat kann ein Wafer-Komposit 100 wie mit Verweis auf 1A bis 1D beschrieben sein, und die Einrichtungen 400 können im Verfahren wie mit Verweis auf 1A bis 1D beschrieben genutzt werden.
Zu Veranschaulichungszwecken zeigen 4A, 4B, 5A und 5B das Wafer-Komposit 100 mit einer Trägervorrichtung 190, das auf einem Plattenteil 481 einer Suszeptorvorrichtung 480 angeordnet ist, die ferner einen Wellenteil 482 zum Fixieren des Plattenteils 481 innerhalb der Prozesskammer enthält. Die Suszeptorvorrichtung 480 kann fehlen, z. B. falls die Trägervorrichtung 190 innerhalb der Prozesskammer eingespannt werden kann. Alternativ dazu kann die Trägervorrichtung 190 den Plattenteil 481 bilden. Das heißt, in jeder von 4A, 4B, 5A, 5B kann die Trägervorrichtung 190 fehlen oder kann die Suszeptorvorrichtung 480 fehlen.
Die Heizquellenvorrichtung 465 enthält eine Strahlungsquelle 462 mit einer Stromquelle 463 und einer Spule 464. Die Stromquelle 463 gibt Wechselstrom mit einer Frequenz in einem Bereich von etwa 300 kHz bis etwa 30 MHz ab und treibt den Wechselstrom durch die Spule 464. Der Wechselstrom erzeugt starke elektromagnetische Strahlung in dem Raum innerhalb der Spule und in der Verlängerung der Spulenachse 467 neben den Endflächen der Spule 464. Der Raum, in dem die elektromagnetische Strahlung stark ist, definiert das Probenvolumen, in dem das Wafer-Komposit 100 zum Erhitzen platziert wird.
In 4A ist das Wafer-Komposit 100 in einem Teil des Probenvolumens vollständig innerhalb der Spule 464 angeordnet. Die Spulenachse 467 ist parallel zur Mittelachse 117 des Ausgangssubstrats 100, wobei die Spulenachse 467 und die Mittelachse 117 zusammenfallen können. Die Spule 464 weist mehrere Wicklungen auf, die eine Helix entlang einer Seitenwand eines virtuellen Zylinders bilden, dessen Durchmesser größer als ein horizontaler Durchmesser des Wafer-Komposits 100 ist.
In 4B ist das Wafer-Komposit 100 in einem Raum in einer Verlängerung der Spulenachse 465 angeordnet, wobei sich das Probenvolumen vollständig außerhalb der Spule 464 befindet. Die Spulenachse 467 und die Mittelachse 117 des Ausgangssubstrats 100 fallen zusammen. Die Spule 464 weist eine planare spiralförmige Wicklung auf, wobei sich die äußerste Wicklung um einen Umfang des Wafer-Komposits 100 windet.
5A zeigt eine Heizquellenvorrichtung 465 mit einer Strahlungsquelle 462, wie in 4A veranschaulicht ist, und ferner mit einer Hilfsstruktur 466 aus einem magneto-dielektrischen Material. Die Hilfsstruktur 466 hat die Form eines Zylinders mit einer spiralförmigen Ausbuchtung, die sich zwischen benachbarten Wicklungen nach innen in den Raum erstreckt. Das magneto-dielektrische Material kann Ferrotron© und/oder Fluxtrol© enthalten und erhöht den Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Wärmequellenvorrichtung 465.
5B zeigt eine Heizeinheit 460 mit einer Strahlungsquelle 462, wie in 4B veranschaulicht ist, und ferner mit einer Hilfsstruktur 466 aus einem magneto-dielektrischen Material. Die Hilfsstruktur 466 hat die Form einer Schale, die die Wicklung umschließt und eine spiralförmige Ausbuchtung aufweist, die sich vom Boden der Schale zwischen benachbarten Wicklungen der Spule 464 in den Raum erstreckt. Ein Pyrometer 475 erfasst die Temperatur an einer Oberfläche des Wafer-Komposits 100, wobei die erfasste Temperatur genutzt wird, um die Heizquellenvorrichtung 465, z. B. das elektrische Feld und/oder den Zeitpunkt des Erhitzens, zu steuern. Das Pyrometer 475 kann die Temperatur in Zeiträumen ohne Erhitzen, z. B. in den Aus-Perioden eines gepulsten Laserstrahls, und/oder an einer Oberfläche des Wafer-Komposits erfassen, die der Richtung, von der aus das Wafer-Komposit 100 erwärmt wird, abgewandt ist.
6 zeigt eine Strahlungsquelle 462, die einen Mikrowellengenerator 468 und eine Hohlwellenleiterkammer 469 umfasst, die das Probenvolumen umschließt. Der Mikrowellengenerator 468 gibt eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz in einem Bereich von 300 MHz bis 300 GHz ab und leitet die elektromagnetische Welle in die Wellenleiterkammer 469, in der ein Wafer-Komposit 100 angeordnet sein kann, um zumindest einen Teil des mit Verweis auf 1A bis 1D beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Wellenleiteranschlüsse 471 in der Wellenleiterkammer 469 werden genutzt, um die elektromagnetische Welle zur Wellenleiterkammer 469 weiterzuleiten und das elektrische Feld in der Wellenleiterkammer 469 zu steuern.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Vorrichtungssubstrats, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Ausgangssubstrats (110), wobei das Ausgangssubstrat (110) eine erste Hauptoberfläche (111), ein Substratmaterial und eine Trennschicht (114) in einem Abstand zur ersten Hauptoberfläche (111) aufweist, wobei die Trennschicht (114) modifiziertes Substratmaterial aufweist; Anbringen einer Spannung erzeugenden Schicht (120) an das Ausgangssubstrat (110), sodass die Spannung erzeugende Schicht (120) mit der ersten Hauptoberfläche (111) in Kontakt ist; Kühlen des Ausgangssubstrats (110) und der Spannung erzeugenden Schicht (120) auf eine Temperatur unterhalb einer Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht (120), wobei das Ausgangssubstrat (110) entlang einer Spaltfläche (115) durch die Trennschicht (114) gespalten wird, wenn das Ausgangssubstrat (110) unter die Glasübergangstemperatur gekühlt wird; und Erhitzen des gekühlten und gespaltenen Ausgangssubstrats (110), wobei das Erhitzen ein berührungsloses volumetrisches Erhitzen umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) in einer Kammer (450, 461) erhitzt wird und wobei das volumetrische Erhitzen das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) in Bezug auf die Komponenten der Kammer (450, 461) selektiv erhitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das volumetrische Erhitzen umfasst, dass das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) auf eine Endtemperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Spannung erzeugenden Schicht (120) erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) innerhalb von höchstens drei Minuten auf die Endtemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das volumetrische Erhitzen umfasst, dass das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 m ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das volumetrische Erhitzen umfasst, dass das gekühlte und gespaltene Ausgangssubstrat (110) elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 10 m bis 1 km ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Anbringen einer Trägervorrichtung (190) an einer Seite der Spannung erzeugenden Schicht (120), die dem Ausgangssubstrat (110) entgegengesetzt ist, bevor das Ausgangssubstrat (110) gekühlt wird.
Einrichtung zum Bearbeiten eines Substrats, aufweisend: eine Kühleinheit (410), die so konfiguriert ist, dass sie das Substrat (100) auf eine Temperatur unterhalb von -50 Grad Celsius kühlt; und eine Heizeinheit (460), die so konfiguriert ist, dass sie das gekühlte Substrat (100) unter Verwendung eines Verfahrens zum berührungslosen volumetrischen Erhitzen erhitzt.
Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Kühleinheit (410) eine Kühlkammer (411) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie das Substrat (100) aufnimmt, wobei die Heizeinheit (460) eine Heizkammer (461) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie das gekühlte Substrat (100) aufnimmt, und wobei die Einrichtung (400) ferner eine Transporteinheit (490) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie das Substrat (100) von der Kühlkammer (411) zur Heizkammer (461) transportiert.
Einrichtung nach Anspruch 9, ferner aufweisend: eine Prozesskammer (450), wobei die Kühleinheit (410) so konfiguriert ist, dass sie ein in der Prozesskammer (450) platziertes Substrat (110) auf eine Temperatur unterhalb von -50 Grad Celsius kühlt, und wobei die Heizeinheit (460) so konfiguriert ist, dass sie das in der Prozesskammer (450) platzierte gekühlte Substrat (100) unter Ausnutzung des berührungslosen volumetrischen Erhitzens erhitzt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Heizeinheit (460) eine Strahlungsquelle (462) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km emittiert und ein Probenvolumen in der Heizkammer (461) der emittierten elektromagnetischen Strahlung aussetzt.
Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die Strahlungsquelle (462) eine Stromquelle (463) und eine Spule (464) aufweist, wobei die Stromquelle (463) so konfiguriert ist, dass sie Wechselstrom mit einer Frequenz in einem Bereich von 300 kHz bis 30 MHz abgibt und den Wechselstrom durch die Spule (464) treibt.
Wafer-Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Strahlungsquelle (462) einen Mikrowellengenerator (468) und eine Hohlwellenleiterkammer (469) aufweist, die das Probenvolumen umschließt, wobei der Mikrowellengenerator (468) so konfiguriert ist, dass er eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz in einem Bereich von 300 MHz bis 300 GHz abgibt und die elektromagnetische Welle zur Wellenleiterkammer (469) weiterleitet.
Heizeinrichtung, wobei die Einrichtung aufweist: eine Strahlungsquelle (462), die so konfiguriert ist, dass sie eine elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 km erzeugt und ein Probenvolumen der emittierten elektromagnetischen Strahlung aussetzt; und eine Trägerbasis (481), die so konfiguriert ist, dass sie ein zu erhitzendes Halbleitersubstrat trägt, wobei die Trägerbasis (481) eine relative magnetische Permeabilität aufweist, die nicht größer als 1 ist.
Einrichtung nach Anspruch 15, wobei die Strahlungsquelle (462) eine Spule (464), die so konfiguriert ist, dass sie ein magnetisches Feld erzeugt, wenn sie mit elektrischem Strom versorgt wird, oder einen Mikrowellengenerator (468) aufweist.