-
TECHNISCHES GEBIET UND STAND
DER TECHNIK
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen selbsttragender
Membranen von ablösbaren SeOI-Substraten (Halbleiter an
Isolator), spezifischer von SOI-Substraten (Silicium an Isolator).
-
Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung führt zu einer oberflächlichen
Schicht, die von ihrem Substrat separiert oder gelöst werden
kann, wobei die Struktur zwischen der oberflächlichen Schicht und
dem Substrat eine geschwächte Grenzschicht aufweist.
-
In
verschiedenen mikroelektronischen, optoelektronischen und elektronischen
Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, eine Schicht aus Halbleitermaterial
von einem Substrat abzulösen, wobei die Schicht bearbeitet
sein kann, oder nicht, um eine selbsttragende Schicht zu erzielen.
Darüber hinaus kann es in bestimmten Anwendungsfällen
vorteilhaft sein, eine solche Schicht zu formen und auf ein finales
Substrat zu transferieren.
-
Zum
Separieren oder Ablösen einer Halbleiterschicht von ihrer
Ausgangsauflage sind verschiedene Techniken entwickelt worden. Die
am meisten üblich und bekannte Technik besteht darin, das
Ausgangsauflagensubstrat mechanisch zu verdünnen oder das
Ausgangsauflagensubstrat chemisch zu ätzen. Auch kann eine
Kombination des mechanischen Verdünnens mit dem chemischen Ätzen
durchgeführt werden.
-
Obwohl
diese Verfahren zum Ablösen der Ausgangsauflage führen,
führen sie auch zu dessen Zerstörung.
-
Zum
Schwächen einer speziellen Zone des Substrats, um die Struktur
abzulösen, sind auch andere Mittel zur Verfügung
gestellt worden.
-
Beispielsweise
beschreibt das Patent
WO 02/084721 ein
Verfahren zum Herstellen eines ablösbaren Substrats mit
einer Grenzfläche mit zwei unterschiedlichen Zonen bezüglich
mechanischer Festigkeit. Diese Grenzfläche kann mit unterschiedlichen Mitteln
erzielt werden, beispielsweise durch Anhaften zweier auf unterschiedliche
Weise präparierter Oberflä chen, oder durch eine
geschwächte eingebettete Schicht oder durch eine poröse
Zwischenschicht.
-
Die
Ablösung erfolgt demzufolge entweder mechanisch, mit Verwendung
von Klingen oder einem Flüssigkeitsstrahl, oder chemisch.
-
Jedoch
sind alle diese Techniken nicht zweckmäßig zum
Herstellen selbsttragender Schichten, speziell wenn die Schichten
dünn sind, beispielsweise nur zwischen einigen Nanometern
und einigen Mikron dick sind.
-
Tatsächlich
ist nämlich das Einführen einer Klinge oder irgendeines
anderen Öffnungssystems an der Grenzschicht für
relativ dünne ablösbare Halbleiterschichten nicht
möglich.
-
Aus
diesem Grund sind Techniken verfügbar gemacht worden, wie
sie im Dokument
FR 2 848 723 beschrieben
werden. Die in diesem Dokument erläuterte Technik setzt
ein Werkzeug ein, das zwei Greifelemente aufweist, die zeitweise
an jedem der zu separierenden Wafer fixiert werden, und die dann
durch einen Aktuator in gesteuerter Weise weggebogen werden, um
die zwei Wafer zu separieren.
-
Eine
andere Technik besteht darin, einen klebenden Film (ein Klebeband) über
die gesamte Oberfläche der Frontfläche eines SOI-Substrats
zu kleben, und dann auf diesen klebenden Film eine Zugkraft zu applizieren.
-
Da
die Haftenergie des klebenden Films höher ist als die Haftenergie
der Grenzschicht, wird das SOI von dem Substrat separiert, da es
an dem klebenden Film haften bleibt. Auf diese Weise wird eine selbsttragende
Membrane erzielt, die die Dicke der Ausgangs-SOI hat. Der klebende
Film wird dann durch eine chemische oder mechanische oder thermische
Aktion von der Membrane separiert, oder durch Applikation eines
UV-Strahls, falls der Film UV-sensitiv ist.
-
Jedoch
können die zuletzt erwähnten zwei Techniken nur
für Membranen geringer Dicke angewendet werden, und zwar
von einigen hundert Nanometern bis zu einigen Mikron (typischerweise
ungefähr 3 μm). Der Grund hierfür liegt
darin, dass der klebende Film oder das Greifelement während
der Separation der Membrane eine Deformation an der Membrane erzeugen.
Membranen mit so geringer Dicke sind nämlich flexibel und
können deshalb eine derartige Deformation ohne zu reißen überstehen.
-
In
dem Fall eines SOI-Substrats mit dünnen Schichten (kleiner
als 3 Mikron) ist die durch die Deformation des klebenden Films
oder des Greifelementes in der Membrane generierte Spannung ausreichend
niedrig, um ein Reißen des Films zu vermeiden: Der Film
wird aufgrund der geringen Dicke leichter deformiert. Hingegen ist
in dem Fall einer dickeren SOI (einer Dicke von mehr als 3 Mikron,
beispielsweise erhalten mit der BSOI-Technik), die in der Membrane
generierte Spannung höher, genauer gesagt aufgrund deren
größerer Dicke, und kann die Membrane die durch
den Film oder die Greifplatte aufgebrachten Deformationen nicht überstehen.
Deshalb bricht die Membrane während der Separation.
-
Ferner
führt keine der bekannten Techniken zu einem Transfer eines
Films oder einer Membrane.
-
ERKLÄRUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung schlägt vor, diese Nachteile zu vermeiden.
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Separieren einer Membrane
von einem Substrat, und umfasst:
- a) das Fixieren
zumindest eines Klebemittels nur an einem Teil der Oberfläche
der besagten Membrane,
- b) die Separation der Membrane oder zumindest eines Teils der
Membrane durch Applikation einer Kraft an dem Klebemittel, beispielsweise
durch eine ziehende Kraft.
-
Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird ein klebender Film oder
werden mehrere klebende Filme nicht über die Gesamtheit
der Schicht oder der zu entfernenden, abzulösenden oder
separierenden Schicht oder deren Oberfläche angehaftet, sondern
nur lokal an einer oder mehreren Zonen dieser Schicht oder dieser
Oberfläche. Dieses lokale Anhaften ermöglicht
es, die Separation oder das Ablösen zu initiieren.
-
Die
Membrane kann an das Substrat zunächst durch molekulare
Adhäsion angehaftet sein oder mit dem Substrat über
eine Haftschicht verbunden sein, oder über ein Substrat,
das zuvor behandelt wurde, um sein Schwächungsniveau zu
erhöhen.
-
Die
Membrane kann aus einem Halbleitermaterial oder einem piezoelektrischen
Material oder einem ferroelektrischen Material bestehen. Sie kann in
einem schwach oder stark dotierten Silicium vorliegen, oder in AsGa,
oder in Ge, oder in SiC, oder in GaN, oder in InP oder in LiNbO3 oder in LiTaO3.
Sie kann einschichtig oder mehrschichtig sein. Sie kann auch eine
bearbeitete Schicht umfassen.
-
Mit
der Erfindung können großflächige Membranen
hergestellt werden, beispielsweise kreisförmige Membranen
mit einem Durchmesser zwischen 100 mm und 300 mm.
-
Die
Separation (Verfahrensschritt b) kann vorausgehend durch lateralen
chemischen Angriff gestartet werden.
-
Die
Membrane kann eine Dicke größer als mehrere Mikron
haben, vorzugsweise größer als 3 Mikron. Die Erfindung
kann zur Fabrikation selbsttragender Membranen führen,
speziell dicke Membranen, mit einer Dicke größer
als mehrere Mikron, und zwar zu einer Membrane, die von SOI-Substraten lösbar
ist.
-
Die
erzielte selbsttragende Membrane kann für sich verwendet
werden, oder kann gemäß einer Abwandlung auf einen
finalen Träger transferiert werden.
-
In
der Membrane kann vorausgehend eine geschwächte Zone geformt
werden; die Separation zumindest eines Teils der Membrane von dem
Substrat kann dann entlang dieser geschwächten Zone stattfinden.
-
Diese
geschwächte Zone kann durch ionische oder atomare Implantierung
produziert werden, und zwar vor oder nach dem gegenseitigen Anhaften der
Membrane und des Substrats.
-
Vorzugsweise
hat die Grenzfläche zwischen der Membrane und dem Substrat
kontrollierte Energie, um das Ablösen der Membrane zu ermöglichen. Als
eine Variante oder als zusätzliches Merkmal kann die Grenzschicht
zwischen dem Substrat und der Membrane ein Material aufweisen, das
ausgewählt ist, um die Ablösung der Membrane zu
ermöglichen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die 1A, 1B und 2 repräsentieren
eine erste Ausführungsform der Erfindung.
-
Die 3A, 3B und 4 repräsentieren
eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
-
5 repräsentiert
eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl
von Klebemitteln.
-
Die 6A und 6B repräsentieren
eine andere Ausführungsform der Erfindung, mit der Formierung
einer Frakturebene.
-
7 repräsentiert
eine Membrane, die gemäß einem erfindungsgemäßen
Verfahren abgelast und dann auf ein Substrat transferiert worden
ist.
-
DETAILLIERTE ERKLÄRUNG
DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
Erfindung wird beschrieben für ein BSOI-Substrat, kann
jedoch generalisiert werden für jeglichen Typ eines ablösbaren
SeOI-Substrats (Halbleiter an Isolator).
-
Wie
in 1A illustriert, wird ein SeOI-Substrat zunächst
selektiert, das einen Film oder eine Membrane 4 aus Halbleitermaterial
umfasst, und spezifisch in Silicium oder in Ge, oder in SiC, oder
in GaN. Die Membrane 4 kann auch vorliegen in InP oder
in LiNbO3 oder in LiTaO3.
Sie kann auch in einem piezoelektrischen Material oder in einem
ferroelektrischen Material vorliegen. Diese Membrane kann einschichtig
sein oder mehrschichtig.
-
Unabhängig
von der Natur der Membrane, oder ob sie einschichtig oder mehrschichtig
ist, kann die Membrane gemäß einer anderen Variante
eine bearbeitete Schicht umfassen. Beispielsweise kann sie Öffnungen
und/oder Chips umfassen, und/oder Schaltkreise und/oder Mikrosysteme.
-
Ein
Substrat 6 liegt, beispielsweise, auch in Silicium oder
in Polysilicium oder in irgendeinem anderen Halbleitermaterial vor.
-
Zwischen
den zwei Oberflächen des Films oder der Membrane 4 und
des Substrats 6 kann eine haftende Grenzschicht 8 vorliegen,
wobei die Oberflächen, vorzugsweise, einer Oxidationswirkung
unterworfen sein können.
-
In
einer Variante ist die Membrane 4 durch molekulare Adhäsion
an das Substrat 6 angehaftet.
-
In
einer günstigen Konfiguration ist die haftende Grenzschicht
der Struktur SeOI auf eine solche Weise präpariert worden,
dass sie die nachfolgende Ablösung der oberen Membrane 4 unterstützt.
Beispielsweise werden die in Kontakt gebrachten Oberflächen
spezifischen Behandlungen unterworfen, um die Haftungsenergie zu
steuern, wie beschrieben:
- – In US 2004/222500 : In diesem
Dokument wird durch molekulare Haftung zwischen der Fläche
einer Schicht (hier der Membrane 4) und der Fläche eines
Substrats (hier das Substrat 6), eine Grenzschicht produziert,
wobei eine Behandlung von zumindest einer dieser zwei Flächen
vorab auf eine solche Weise vorgenommen worden ist, dass die mechanische
Festigkeit der Grenzschicht kontrolliert und mit der nachfolgenden
Ablösung kompatibel ist,
- – in FR 2 860 249 :
In diesem Dokument ist an der Grenzschicht zwischen der Membrane 6 und
dem Substrat 4 eine Zwischenschicht (hier die Schicht 8)
angeordnet, z. B. in PSG oder in BPSG, wobei diese Zwischenschicht
zumindest ein Basismaterial aufweist, in welcher extrinsische Atome
oder Moleküle, verschieden von den Atomen des Basismaterials,
verteilt sind, und in welcher eine Wärmebehandlung appliziert
wird, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 900°C
und 1100°C; wobei die Formierung von Mikroblasen oder Mikrokavitäten,
speziell einer gasförmigen Phase, auf diese Weise auf nicht
umkehrbare Weise produziert wird, und derart, dass die Zwischenschicht
in eine poröse Schicht transformiert ist, die in der Lage
ist, in der Dicke zuzunehmen,
- – in US 2005/029224 :
Hier wird eine Grenzschicht produziert, um zumindest eine erste
Zone mit einem ersten Niveau mechanischer Festigkeit zu haben, und
eine zweite Zone mit einem Niveau mechanischer Festigkeit, das viel
niedriger ist als das der ersten Zone; diese Grenzschicht kann mit unterschiedlichen
Mitteln erzielt werden, beispielsweise durch Anhaften zweier auf
unterschiedliche Weise präparierter Oberflächen,
oder durch eine geschwächte eingebettete Lage oder durch
eine poröse Zwischenschicht,
- – in US 2006/019476 :
In diesem Dokument führen Mikroblasen oder Mikrokavitäten
zu der Konstitution einer geschwächten Schicht 8 an
der Grenzschicht zwischen einer dünnen Schicht eines Halbleitermaterials
(z. B. der Membrane 4) und einer Fläche eines
Substrats 6; hierbei ermöglicht eine Wärmebehandlung
die Anhebung des Schwächungsniveaus.
-
Die
Dokumente
US 2004/222500 oder
US 2006/019476 beschreiben
die besonderen Strukturen des Typs D-BSOI (eingetragenes Warenzeichen),
oder eine ablösbare Struktur SOI.
-
Dann
wird auf die Oberfläche 5 des Films oder der Membrane 4 (die
Oberfläche, die an der abgewandten Seite der haftenden
Grenzschicht 8 angeordnet ist) ein haftender Film 10 appliziert.
Wie nachstehend zu sehen ist (5), kann
mit der Oberfläche 5 eine Vielzahl solcher Filme 10, 10', 10'' verbunden
werden. Die Kontaktfläche zwischen dem Film oder den Filmen 10, 10', 10'' und
der Oberfläche 5 der Membrane 4, die
abzulösen ist, wird, vorzugsweise, auf eine solche Weise
selektieret, dass:
- – diese Kontaktfläche
für den Film oder die Filme 10 ausreichend groß ist,
um an der abzulösenden Membrane 4 zu haften, und
für die auf den Film oder die Filme applizierten Kräfte
ausreicht, damit diese in der Lage sind, die Ablösung dieser
Membrane zu verursachen,
- – diese Kontaktfläche ausreichend klein ist,
damit die Deformation der Membrane 4 beim Ablösen mit
deren Elastizitätskriterien kompatibel ist.
-
Ein
Verhältnis, beispielsweise, zwischen 2 und 50 oder zwischen
2 und 100, vorzugsweise zwischen 10 und 50, oder, vorzugsweise,
zwischen 10 und 20, liegt zwischen der Oberfläche 5 der
Membrane 4 und der Oberfläche des klebenden Films
oder der klebenden Filme an dieser Oberfläche 5 vor.
-
1B repräsentiert
die Membrane 4 und ein Klebemittel 10 in Draufsicht. 5 repräsentiert den
Fall einer Vielzahl von Klebemitteln 10, 10', 10'' an
der Membrane 4 in Draufsicht. Nachfolgend beschränken
sich die Erklärungen auf den Fall eines einzelnen Klebemittels,
wobei jedoch sämtliche für den Fall eines einzelnen
Klebemittels angestellten Überlegungen in gleicher Weise
auf den Fall einer Vielzahl an Klebemitteln übertragbar
sind.
-
Die
Separation der Membrane 4 wird ausgelöst durch
Applizieren einer Kraft, wie einer ziehenden Kraft, z. B. auf das
Klebemittel 10. In dem Fall einer Vielzahl an Klebemitteln
kann die Traktion auf eines oder mehrere Klebemittel appliziert
werden. Darüber hinaus ist die Membrane 4 frei,
da sie nur innerhalb eines kleinen Bereiches mit dem klebenden Film in
Kontakt ist, und kann sie deshalb frei deformiert werden. Deshalb
sind die in der Schicht 4 generierten Spannungen und die
Deformation viel schwächer als bei dem Verfahren, das beim
Stand der Technik vorgeschlagen wird, und bei welchem ein Klebemittel über
den gesamten Oberflächenbereich eingesetzt wird. Die Erfindung
ermöglicht es demzufolge, die Membrane 4 abzulösen,
ohne sie zu zerreißen. 2 repräsentiert
die Membrane nach der Separation, wobei eine Schicht 8', 8'' aus
Si-Oxid an jedem der Teile 4, 6 verbleibt, z.
B. in dem Fall eines D-BSOI-Substrats, das auf der Basis einer Oxid/Oxid-Haftung
präpariert, und so exekutiert ist, dass es trennbar ist,
beispielsweise gemäß einer der vorerwähnten
Techniken, oder auf eine Weise, bei der die haftende Grenzfläche
eine kontrollierte Haftungsenergie besitzt, damit das Substrat ablösbar
ist, entsprechend einer der vorerwähnten Techniken.
-
Der
insgesamt gewählte Kontaktbereich zwischen der Membrane 4 und
dem Klebemittel 10 hängt von den elastischen Parametern
des Klebemittels ab, von der Natur der abzulösenden Membrane (schwach
dotiertes Silicium, oder stark dotiertes Silicium, oder AsGa, ....),
dem Durchmesser des Substrats 6, der Dicke der Membrane 4,
und der Haftungsenergie an der Grenzfläche.
-
Demzufolge
beträgt für einen Wafer oder eine Membrane 6 eines
Durchmessers von beispielsweise 150 mm mit einer ablösbaren
Schicht 4 einer Dicke von 50 Mikron der Kontaktbereich
zwischen dem Klebemittel 10 und der Membrane 4 so
viel, dass er in der Größenordnung von 1 bis 10
cm2, vorzugsweise etwa 4 cm2 liegt.
-
Um
so höher die Haftungsenergie zwischen der ablösbaren
Membrane 4 und dem Support oder Substrat 6 ist,
desto größer kann der Kontaktbereich zwischen
der Membrane und dem Klebemittel oder den Klebemitteln sein, um
es zu ermöglichen, die Membrane 4 abzulösen.
-
Andererseits
wird der Kontaktbereich auch als eine Funktion der Form des Kontakts
im Kontaktbereich variieren (weitere oder schmalere viereckige Form,
gerundete Form .... etc).
-
In
Verbindung mit den 3A, 3B und 4 wird
eine Variante beschrieben. Diese Variante benutzt die Formierung
eines Initiators.
-
Wie
in 3A illustriert, kann die Ablösung der
Membrane 4 durch Attackieren der Grenzfläche zwischen
den Schichten 8', 8'' in Querrichtung, z. B. durch
eine chemische Attacke mit HF ermöglicht werden. Diese
Quer-Attacke ist in der 3A durch
die zwei Pfeile 12, 12' symbolisiert. Die Ablösung
wird auf diese Weise zunächst nur eingeleitet und dann durch
Ausüben eines schwächeren Zugs auf den klebenden
Film 10 zu Ende gebracht. Das Risiko eines Reißens
der Membrane wird somit reduziert.
-
In
dem Fall einer solchen Quer-Attacke ist es auch möglich,
den Kontaktbereich zwischen dem Klebemittel 10 und der
Membrane 4 zu limitieren.
-
Die 4 repräsentiert
die Membrane nach der Separation, wobei eine Schicht 8', 8'' aus
Si-Oxid an jedem der Teile 4, 6 verbleibt.
-
Die
Durchführung eines Verfahrens gemäß der
Erfindung wird erleichtert, wenn die haftende Grenzschicht (hier
die Grenzschicht 8) zwischen der Membrane 4 und
dem Substrat 6 eine kontrollierte Energie aufweist.
-
Weiterhin
kann die Natur des Materials 8, das gegebenenfalls an der
Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Membrane 4 vorliegt,
auf eine solche Weise selektiert sein, dass die Natur des Materials
zu der Ablösung der Membrane 4 führt.
-
Die
Steuerung der Energie und/oder die Auswahl der Natur des an der
Grenzfläche vorliegenden Materials für eine leichtere
Ablösung werden beispielsweise in den bereits zitierten
Dokumenten beschrieben und kommentiert:
US 2004/222500 , oder
US 2006/019476 , oder
FR 0311450 , oder
US 2005/029224 .
-
In
allen diesen Fällen kann durch ionische oder atomare Implantierung 24 in
der Membrane 4 eine geschwächte Zone 14 produziert
werden (6A). Dann wird diese an ein
Stützsubstrat 6 angehaftet (6B,
welche die gleichen Bezugszeichen enthält wie die der 1A),
und wird erst dann die Ablösung der Membrane über
den klebenden Film oder die Filme 10, 10', 10'' entlang
der geschwächten Zone 14 vorgenommen. Ein solches Verfahren
kann eine Separation der Membrane 4 in Bezug auf die Auflage 6 produzieren.
Hierbei verbleibt ein Teil der Membrane 4 an dem Substrat 6.
Es ist auch möglich, das Anhaften der Membrane 4 an dem
Auflagesubstrat 6 vor dem ionischen oder atomaren Implantierungsschritt
in der Membrane 4 auszuführen, und erst dann die
Separation mit den Klebemitteln zu realisieren.
-
Um
die geschwächte Zone zu schaffen, kann eine Technik appliziert
werden, die unter „Smart Cut®” bekannt
ist und beispielsweise in dem Artikel von A. J. Auberton-Hervé et
al. „Warum kann Smart-Cut die Zukunft von Mikroelektronik ändern?" beschrieben wird,
publiziert in dem International Journal of High Speed Electronics
and Systems", Ausgabe 10, Nr. 1(2000), Seiten 131–146.
-
Die
durch ein Verfahren gemäß der Erfindung zu erzielende,
selbsttragende Membrane kann ohne jegliche andere Auflage oder anderes
Substrat verwendet werden.
-
Als
eine Variante kann die selbsttragende Membrane auf ein anderes Substrat 20 transferiert werden,
wie in 7 illustriert ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Separieren einer Membrane
(4) von einem Substrat (6), umfassend:
- a) das Fixieren zumindest eines Klebemittels
(10) nur an einem Teil der Oberfläche der Membrane, welche
Oberfläche nicht zu dem Substrat weist,
- b) die Separation der Membrane durch Traktion an einem der Klebemittel.
-
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
-
- - WO 02/084721 [0007]
- - FR 2848723 [0011]
- - US 2004/222500 [0040, 0041, 0056]
- - FR 2860249 [0040]
- - US 2005/029224 [0040, 0056]
- - US 2006/019476 [0040, 0041, 0056]
- - FR 0311450 [0056]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - A. J. Auberton-Hervé et
al. „Warum kann Smart-Cut die Zukunft von Mikroelektronik ändern?” beschrieben
wird, publiziert in dem International Journal of High Speed Electronics
and Systems”, Ausgabe 10, Nr. 1(2000), Seiten 131–146 [0058]