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Erfindungsfeld
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablösen einer Schicht von einem Spender-Substrat auf einem Empfänger-Substrat.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine in 1 gezeigte und in der US-Patentanmeldung US 2007/0249140 (A1) beschriebene bekannte Technik zum Erfassen einer abzulösenden Schicht 2 von einem Spender-Substrat 1 ist ein Verfahren zum Ablösen einer abzulösenden Schicht 2 von einem Spender-Substrat 1, das die folgenden Schritte umfasst:
- a0) Deponieren einer Metallschicht 3 auf dem Spender-Substrat 1 bei einer Temperatur von mehr als 750°C),
- b0) Abkühlen der Kombination aus dem Spender-Substrat 1 und der Metallschicht 3 auf Raumtemperatur, wobei das Abkühlen aufgrund einer Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Druck- oder Zugverformung der Metallschicht 3 veranlasst, wobei die Verformung der Schicht 3 eine Druck- oder Zugspannung in dem Spender-Substrat 1 erzeugt. Diese mechanische Spannung verursacht einen Bruch in einer Bruchebene 4, wobei die Bruchebene 4 die abzulösende Schicht 2 begrenzt, wobei die mechanische Spannung zu einer Ablösung der abzulösenden Schicht 2 von dem Spender-Substrat 1 in der Bruchebene 4 führt.
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Nach dem Schritt a0) wird ein Abkühlungsschritt b0) an dem durch die Metallschicht 3 bedeckten Spender-Substrat 1 durchgeführt. Die Abkühlung führt zu dem Auftreten einer Spaltspannung in dem Spender-Substrat 1, die mit der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallschicht 3 und dem Spender-Substrat 1 in Zusammenhang steht.
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Die Deposition einer Metallschicht 3 auf dem Spender-Substrat 1 bringt jedoch die Gefahr einer Verunreinigung der abzulösenden Schicht 2 mit sich, wodurch der Betrieb des aus dieser Schicht zu erzeugenden Bauelements beeinträchtigt wird.
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Außerdem hängt die Dicke der abzulösenden Schicht 2 von der durch die Metallschicht 3 ausgeübten Spaltspannung ab. Deshalb wird der Bereich der verfügbaren Dicken der abzulösenden Schicht 2 notwendigerweise durch die Eigenschaften der verfügbaren Metalle beschränkt.
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Weiterhin macht ein Ablösungsverfahren mit zu geringen Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten zu hohe Verarbeitungstemperaturen erforderlich.
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Die Erfindung schlägt deshalb ein Verfahren zum Ablösen einer abzulösenden Schicht 2 von einem Spender-Substrat 1 vor, bei dem keine Gefahr einer Verunreinigung des Materials des Spender-Substrats 1 gegeben ist, sodass der Bruch unabhängig von Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten ist.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, einige oder alle der oben genannten Nachteile und Probleme zu beseitigen und gibt ein Verfahren zum Ablösen einer abzulösenden Schicht von einem Spender-Substrat an, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Montieren des Spender-Substrats und eines porösen Substrats derart, dass das poröse Substrat und die abzulösende Schicht eine Kontaktfläche aufweisen, wobei das poröse Substrat Poren und Kristallite enthält,
- b) Anwenden, auf die Anordnung, einer Behandlung mit einer chemischen Modifikation wenigstens der Oberfläche der in dem porösen Substrat enthaltenen Kristallite, wobei die chemische Modifikation ausgebildet ist, um eine Variation des Volumens der Kristallite zu erzeugen, wobei die Volumenvariation eine Druck- oder Zugverformung des porösen Substrats im Wesentlichen parallel zu der Kontaktfläche veranlasst, wobei die Druck- oder Zugverformung des porösen Substrats eine Zug- oder Druckspannung in dem Spender-Substrat erzeugt, wobei die Zug- oder Druckspannung größer als die mechanische Festigkeit des Spender-Substrats in einer Bruchebene ist, die im Wesentlichen parallel zu der Kontaktfläche ist und die abzulösende Schicht begrenzt, wobei die mechanische Spannung zu einer Ablösung der abzulösenden Schicht von dem Spender-Substrat entlang der Bruchebene führt.
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Unter einem porösen Substrat ist ein Substrat eines mikrostrukturierten Materials, das Poren und Kristallite enthält, zu verstehen. Die Poren bilden einen Leerraum zwischen den Kristalliten des Materials. Die Porosität des Materials ist als der Anteil des leeren Volumens (der Poren) in dem Material definiert.
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Unter einer Bruchebene ist eine Ebene in dem Spender-Substrat zu verstehen, die im Wesentlichen parallel zu den Flächen des Spender-Substrats ist und die von dem Spender-Substrat zu transferierende Schicht begrenzt.
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Die chemische Modifikation wenigstens der Oberfläche der Kristalliten wandelt das Material, aus dem die Kristallite bestehen, zu einem Material mit einem größeren Volumen. Dies hat eine Modifikation des Volumens und damit eine Verformung des porösen Substrats zur Folge. Die Druck- oder Zugverformung des porösen Substrats ermöglicht die Erzeugung einer mechanischen Spannung in der Bruchebene, die die zu transferierende Schicht begrenzt. Wenn diese mechanische Spannung größer als die mechanische Festigkeit des Spender-Substrats vorgesehen wird, tritt ein Bruch in der Bruchebene auf.
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Weiterhin kann die durch das poröse Substrat ausgeübte Spannungsgröße durch den Porositätsgrad, die Dicke oder die mechanische Spannung des porösen Substrats vor der Montage eingestellt werden. Ein gegebenes poröses Material ermöglicht einen breiten Bereich von Dicken der zu transferierenden Schicht.
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Weiterhin ist der Bruch unabhängig von der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Spender-Substrat und dem porösen Substrat.
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In einer Ausführungsform ist die Behandlung eine Wärmebehandlung.
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Dementsprechend ermöglicht die Wärmebehandlung eine Verformung des porösen Substrats durch eine chemische Modifikation wenigstens der Oberfläche der Kristallite. Die Verformung steht im Wesentlichen im Zusammenhang mit der Variation des Volumens der Kristallite des porösen Substrats und umfasst eine mechanische Spannung, die einen Bruch in dem Spender-Substrat einleiten kann.
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Weiterhin wird die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Erzeugung des Bruchs nicht berücksichtigt, wobei das Spender-Substrat und des poröse Substrat die gleiche chemische Zusammensetzung und damit den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen können.
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In einer Ausführungsform ist die Wärmebehandlung eine thermische Oxidationsbehandlung.
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Eine derartige Wärmebehandlung ermöglicht eine Zugverformung des porösen Substrats.
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Bei einer Anwendung auf poröses Silizium ermöglicht diese Behandlung eine Oxidation der Kristallite und eine Vergrößerung von deren Volumen.
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Außerdem ermöglicht die Oxidationsrate der Kristallite eine Modulation der Verformung des porösen Substrats.
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In einer Ausführungsform wird die Behandlung durch die Wirkung einer chemischen Lösung bei einer Temperatur unter 100°C durchgeführt.
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Dementsprechend kann eine Zug- oder Druckverformung des porösen Substrats bewerkstelligt werden, ohne eine Beschädigung der zu transferierenden Schicht zu riskieren.
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Diese chemische Behandlung ist insbesondere beim Transferieren einer zu transferierenden Schicht vorteilhaft, die bei einer Temperaturerhöhung zu einer Streuung neigende Spezies und/oder mikroelektronische Bauelemente enthält.
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In einer Ausführungsform enthält die chemische Lösung Flusssäure und enthält das poröse Substrat wenigstens ein Material aus der folgenden Gruppe: Silizium, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium.
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Eine Ausführungsform umfasst einen Schritt a'), der vor dem Schritt a) ausgeführt wird und eine Zug- oder Druckverformung des porösen Substrats vorsieht.
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Dementsprechend sieht die Verformung des porösen Substrats vor dem Montageschritt a) ein Potential für eine Verformung mit einer größeren Amplitude während des Schritts b) für das poröse Substrat vor. Die resultierende mechanische Spannung in der Bruchebene ist dann höher.
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In einer Ausführungsform weisen das Spender-Substrat und das poröse Substrat die gleiche chemische Zusammensetzung auf.
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Dementsprechend wird der Bruch nicht durch die Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten gestört.
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Weiterhin werden durch die Verwendung von Materialien mit der gleichen chemischen Zusammensetzung Verunreinigungsprobleme begrenzt.
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In einer Ausführungsform wird eine dielektrische Schicht auf dem porösen Substrat vor dem Schritt a) ausgebildet.
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Dementsprechend wird nach der Ablösung der abzulösenden Schicht ein Silizium mit einem isolierenden Aufbau erhalten.
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In einer Ausführungsform weisen das Spender-Substrat und das poröse Substrat die gleiche chemische Zusammensetzung auf.
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Weiterhin können das Spender-Substrat und das poröse Substrat von der gleichen Art sein. Zum Beispiel können das poröse Substrat und das Spender-Substrat beide Siliziumsubstrate sein. Dementsprechend ist keine Gefahr einer metallischen Verunreinigung gegeben.
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Weiterhin wird der Bruch nicht durch die Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Spender-Substrats und des porösen Substrats beeinflusst.
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Eine Ausführungsform umfasst einen Schritt a''), der vor dem Schritt a) ausgeführt wird und eine Schwächung der Bruchebene vorsieht.
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Der Schritt a'') zur Schwächung der Bruchebene vor der Montage des Aufbaus ermöglicht eine bessere Steuerung und eine bessere Positionierung der Bruchebene und damit der Dicke der Schicht.
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Weiterhin ermöglicht die Schwächung der Bruchebene eine kleinere Verformung des porösen Substrats während des Schritts b).
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In einer Ausführungsform umfasst der Schritt a'') nacheinander:
- – die Implantation von Atomspezies in der Bruchebene des Spender-Substrats,
- – eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur des Spender-Substrats unter 400°C in einer reduzierenden Atmosphäre.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Andere Merkmale und Vorteile werden durch die folgende Beschreibung von zwei Ausführungsformen eines Transferierungsverfahrens gemäß der Erfindung anhand eines nicht-einschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei:
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1 eine schematische Wiedergabe eines Ablösungsverfahrens unter Verwendung von bekannten Techniken ist,
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2 eine schematische Wiedergabe eines Ablösungsverfahrens unter Verwendung von Techniken der Erfindung ist,
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3 eine schematische Wiedergabe eines Ablösungsverfahrens unter Verwendung von Techniken der Erfindung ist,
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4 eine schematische Wiedergabe eines elektrochemischen Anodisierungsverfahrens ist.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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Bei der Darstellung der verschiedenen Ausführungsformen werden gleiche Bezugszeichen für Elemente verwendet, die identisch sind oder die gleiche Funktion vorsehen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
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Das in 2 und 3 gezeigte Ablösungsverfahren ist ein Verfahren zum Ablösen einer abzulösenden Schicht 12 von einem Spender-Substrat 11 und umfasst die folgenden Schritte:
- a) Montieren des Spender-Substrats 11 und eines porösen Substrats 13 derart, dass das poröse Substrat 13 und die abzulösende Schicht 12 eine Kontaktfläche 10 aufweisen, wobei das poröse Substrat 13 Poren und Kristallite enthält,
- b) Anwenden, auf die Anordnung, einer Behandlung E mit einer chemischen Modifikation wenigstens der Oberfläche der Kristallite in dem porösen Substrat 13, wobei die chemische Modifikation ausgebildet ist, um eine Variation des Volumens der Kristallite zu erzeugen, wobei die Volumenvariation eine Druck- oder Zugverformung des porösen Substrats 13 im Wesentlichen parallel zu der Kontaktfläche 10 veranlasst, wobei die Druck- oder Zugverformung des porösen Substrats 13 eine Zug- oder Druckspannung in dem Spender-Substrat 11 erzeugt, wobei die Zug- oder Druckspannung größer als die mechanische Festigkeit des Spender-Substrats 11 in einer Bruchebene 14 ist, die im Wesentlichen parallel zu der Kontaktfläche 10 ist und die abzulösende Schicht 12 begrenzt, wobei die mechanische Spannung zu der Ablösung der abzulösenden Schicht 12 von dem Spender-Substrat 11 entlang der Bruchebene 14 führt.
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Das Spender-Substrat 11 kann aus Materialien bestehen, die gewöhnlich in der mikroelektronischen, optischen, optoelektronischen oder photovoltaischen Branche verwendet werden. Das Spender-Substrat 11 umfasst insbesondere wenigstens ein Material aus der folgenden Gruppe: Silizium, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium.
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In einer besonderen Ausführungsform ist die von dem Spender-Substrat 11 abzulösende Schicht 12 eine aktive Schicht, die aus einer Vielzahl von übereinander gelagerten Halbleitermaterialien ausgebildet ist und/oder elektronische Bauelemente umfasst.
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Derartige Bauelemente werden in oder an der abzulösenden Schicht 12 vor dem Montageschritt a) ausgebildet.
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Das poröse Substrat 13 kann aus allen Materialien bestehen, die gewöhnlich in der mikroelektronischen, optischen, optoelektronischen oder photovoltaischen Branche verwendet werden. Das poröse Substrat 13 umfasst insbesondere wenigstens ein Material aus der folgenden Gruppe: Silizium, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium.
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Vorzugsweise weisen das Spender-Substrat 11 und das poröse Substrat 13 die gleiche chemische Zusammensetzung auf.
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Die Porosität des Materials ist als der Anteil des leeren Volumens (der Poren) in dem Material definiert. Es können auch andere Parameter verwendet werden, um die poröse Schicht zu kennzeichnen (Porengröße, Morphologie, Dicke, Porendurchmesser, Kristallitgröße, spezifische Oberfläche usw.).
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Wenn das Material zum Beispiel Silizium ist, handelt es sich um ein poröses Silizium, das allgemein in drei Kategorien klassifiziert wird:
- – makroporöses Silizium, das allgemein aus einem n-Typ-Silizium erhalten wird und schwach dotiert ist,
- – mesoporöses Silizium, das allgemein aus einem hoch dotierten p+-Silizium erhalten wird, und
- – nanoporöses Silizium, das allgemein aus einem p-Typ-Silizium erhalten wird und schwach dotiert ist.
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Die Porosität P einer porösen Halbleiterschicht ist als der Anteil des leeren Raums in der porösen Schicht definiert. Sie wird als
angegeben, wobei ρ die Dichte des nichtporösen Materials ist und ρ
Po die Dichte des porösen Materials ist. Sie variiert meistens zwischen 10 und 90%.
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Das poröse Substrat 13 kann auf verschiedene Weise erhalten werden.
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Das poröse Substrat 13 wird vorzugsweise durch einen Schritt zur elektrochemischen Anodisierung eines Substrats 13' erhalten.
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Eine Ausführungsform einer derartigen elektrochemischen Anodisierung ist in 4 gezeigt.
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Das Substrat 13' wird in einer Umhausung 17 platziert, in der ein Elektrolyt 18 enthalten ist.
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Der Elektrolyt 18 ist zum Beispiel eine Lösung, die Flusssäure (HF) enthält.
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Eine Anode 19 und eine Kathode 20 sind in dem Elektrolyten 18 eingetaucht und mit einer Stromversorgung 21 verbunden.
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Ein Strom wird zwischen der Anode 19 und der Kathode 20 durch die Stromversorgung 21 angelegt.
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Eine andere ergänzende oder alternative Lösung besteht darin, die Dichte des durch die Stromversorgung 21 angelegten Stroms einzustellen.
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Die Umhausung 17 ist allgemein ein Teflon®-Tank.
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Zwei Elektroden 19 und 20, die zum Beispiel aus Platin ausgebildet sind, bilden die Anode und die Kathode und sind mit einer Stromversorgung 21 verbunden.
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Eine Einstellung der Stromdichte und/oder eine entsprechende Wahl der Dotierung des Substrats 13' ermöglicht, dass ein poröses Substrat 13 erhalten wird.
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Am Ende der Anodisierung wird das poröse Substrat 13 gespült.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das poröse Substrat 13 während des Schritts a') vor der Montage zug- oder druckverformt werden, um eine mechanische Spannung mit einer größeren Amplitude während des Schritts b) zu erzeugen
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Vorzugsweise sieht der Schritt a') eine thermische Oxidation vor.
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Wenn das poröse Substrat 13 ein poröses Silizium ist, kann die thermische Oxidation zum Beispiel bei einer Temperatur zwischen 650°C und 1100°C in einer oxidierenden Atmosphäre bewerkstelligt werden, um eine Zugverformung des porösen Substrats 13 vorzusehen. Während des Schritts a') der thermischen Oxidation des porösen Siliziums werden die Siliziumkristallite in dem porösen Silizium wenigstens an ihrer Oberfläche oxidiert. Siliziumoxid ist voluminöser als Silizium, sodass das Volumen der Kristallite während des thermischen Oxidationsschritts größer wird.
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Vorzugsweise wird eine dielektrische Schicht 16 vor dem Schritt a) auf dem porösen Substrat 13 ausgebildet.
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Die dielektrische Schicht 16 wird vorzugsweise durch eine Depositionstechnik und insbesondere vorzugsweise durch eine CVD-, LPCVD- oder PECVD-Technik ausgebildet.
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Die dielektrische Schicht 16 enthält wenigstens ein Material aus der folgenden Gruppe: Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder -oxynitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid.
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Vorzugsweise wird ein Schritt a''), der eine Schwächung der Bruchebene 14 vorsieht, vor dem Schritt a) durchgeführt.
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Der Schritt a'') umfasst vorzugsweise die folgenden Schritte:
- – Implantation von Atomspezies in der Bruchebene 14 des Spender-Substrats,
- – Wärmebehandlung des Spender-Substrats 11 bei einer Temperatur unter 400°C in einer reduzierenden Atmosphäre.
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In einem nicht-einschränkenden Beispiel sind die implantierten Spezies Wasserstoffionen mit einer Dosierung unter 5·1016 Atomen/cm3. Während einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unter 400°C in einer reduzierenden Atmosphäre erzeugen die implantierten Ionen Hohlräume, die sich verbinden, ohne einen Bruch in der Bruchebene zu erzeugen.
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Der Schritt a) kann durch ein Bonding des molekularen Haftungstyps oder ein anodisches Bonding bewerkstelligt werden.
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Der Schritt a) wird derart ausgeführt, dass die zu transferierende Schicht 12 und das poröse Substrat 13 entlang der Fläche 10 in einen Kontakt miteinander gebracht werden.
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Dem Schritt a) kann eine beliebige Behandlung des porösen Substrats 13 und des Spender-Substrats 11 für eine Stärkung der Bondingenergie wie etwa eine Reinigung oder eine Plasmaaktivierung vorangehen.
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Vorzugsweise werden das Spender-Substrat 11 und das poröse Substrat 13 einer Wärmebehandlung einschließlich einer Temperaturerhöhung nach dem Schritt a) unterworfen.
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Typische Wärmebehandlungstemperaturen liegen zwischen 200°C und 700°C und vorzugsweise bei weniger als 400°C in einer Schutzgasatmosphäre.
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Die Funktion dieser Wärmebehandlung besteht darin, die Bondingenergie zwischen dem Donor-Substrat 11 und dem porösen Substrat 13 zu verstärken.
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Vorzugsweise wird eine Druck- oder Zugverformung des porösen Substrats 13 während der Behandlung E vorgesehen. Während der Behandlung E variieren die in dem porösen Substrat enthaltenen Kristallite in ihrem Volumen. Dementsprechend wird das poröse Substrat 13 druck- oder zugverformt. Eine derartige Verformung erzeugt in dem Spender-Substrat 11 eine mechanische Spannung, die eine Ablösung der abzulösenden Schicht 12 in der Bruchebene 14 ermöglicht.
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Vorzugsweise ist die Behandlung E eine Wärmebehandlung. Vorzugsweise umfasst die Wärmebehandlung eine thermische Oxidationsbehandlung.
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Eine thermische Oxidation eines porösen Substrats 13 mit darin enthaltenem porösen Silizium bei Temperaturen zwischen 200 und 800°C in einer oxidierenden Atmosphäre ermöglicht insbesondere eine Zugverformung des porösen Substrats.
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Die gewählten Größen der Kristallite, die Porosität des porösen Substrats 13 oder der Grad der Oxidation sind Parameter, die eingestellt werden können, um eine bestimmte mechanische Spannung an dem Spender-Substrat 11 vorzusehen. Dementsprechend wird die Dicke der abzulösenden Schicht 12 durch diese einstellbaren Parameter bestimmt.
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Vorzugsweise wird die Behandlung E durch die Wirkung der chemischen Lösung 15 bei einer Temperatur unter 100°C durchgeführt.
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Dementsprechend ermöglicht die Ausführung der Behandlung E durch die Wirkung einer chemischen Lösung 15 bei einer Temperatur unter 100°C das Herbeiführen einer Variation des Volumens der Kristallite in dem porösen Substrat, ohne die abzulösende Schicht 12 thermisch zu beschädigen. Dieser Effekt ist besonders vorteilhaft für eine zu transferierende Schicht, die bei einer Temperaturerhöhung zu einer Streuung neigende Dotierungsspezies oder mikroelektronische Bauelemente enthält.
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Vorzugsweise enthält die chemische Lösung 15 Flusssäure und enthält das poröse Substrat 13 wenigstens ein Material aus der folgenden Gruppe: Silizium, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium.
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Ein poröses Substrat 13, das ein zuvor während eines Schritts a) thermisch oxidiertes poröses Silizium enthält, kann durch die Wirkung einer chemischen Lösung mit darin enthaltener Flusssäure druckverformt werden. Die Flusssäure ermöglicht ein chemisches Ätzen des wenigstens an der Oberfläche der Siliziumkristallite erzeugten Siliziumoxids und damit eine Reduktion des Volumens der Kristallite. Die Volumenvariation veranlasst dann eine Druckverformung des porösen Substrats mit dem darin enthaltenen Silizium.
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Die Erfindung ermöglicht insbesondere den Transfer von Halbleiterschichten mit einer Dicke, die von 0,1 bis 100 μm variiert.
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Die Erfindung ermöglicht den Transfer von auf der Schicht ausgebildeten Schaltungen zu einem anderen Substrat.
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Und schließlich lässt sich die Erfindung auf den Transfer von mehreren verschiedenen nützlichen Schichten und insbesondere von gespannten nützlichen Schichten anwenden.
