DE4420024A1 - Halbzeug für ein elektronisches oder opto-elektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents
Halbzeug für ein elektronisches oder opto-elektronisches HalbleiterbauelementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbzeug in Form eines Verbundkörpers
für ein elektronisches oder opto-elektronisches Halbleiterbauelement,
wobei der Verbundkörper aus einem scheibenförmigen, transparenten Quarz
glas-Substrat und einer Scheibe aus einem halbleitenden Material besteht
und wobei direkt und großflächig miteinander verbundene Oberflächen des
Quarzglas-Substrats und der Scheibe vor dem Verbinden miteinander poliert
sind.
Derartige Halbzeuge sind aus der EP-0 504 714 A2 und dem US-Pa
tent 4 883 215 bekannt, wobei in der letztgenannten Veröffentlichung
angegeben ist, daß die miteinander verbundenen Oberflächen vor dem Ver
binden spiegelpoliert sind, während in der genannten europäischen Patent
anmeldung von "poliert" gesprochen wird. Die Scheiben werden mit den
polierten Oberflächen aufeinander gelegt und durch Pressen miteinander
verbunden. Nachträglich kann die Dicke der Scheibe aus halbleitendem
Material durch chemische oder mechanische Behandlung stufenweise vermin
dert werden. Wie der EP-0 504 714 A2 zu entnehmen ist, wird der Verbund
der scheibenförmigen Körper durch Behandlung auf verschiedenen Tempera
turstufen von einer temporären Verbindung (110°C bis 350°C) zu einer
vollständigen Verbindung (250°C bis 500°C) geschaffen, wobei die Dicke
der Scheibe aus halbleitendem Material nach jeder Zwischentemperaturstufe
vermindert wird.
Die bekannten Verbundkörper-Halbzeuge können jedoch den gestellten Anfor
derungen der Halbleitertechnik nicht genügen, denn wie aus der
EP-0 504 714 A2 bekannt ist, erfolgt eine extreme Verminderung der Haft
kräfte zwischen den Scheiben, wenn der Verbundkörper beispielsweise einer
Temperatur von nur 700°C für zwei Stunden ausgesetzt wird. Zumindest
teilweises Abplatzen der Scheiben voneinander sowie ein störendes Verbie
gen des Verbundkörpers können daher nicht vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, Halbzeuge gemäß dem Oberbegriff von An
spruch 1 bereitzustellen, die auch Temperaturen von oberhalb 900°C, wie
sie beispielsweise bei der Herstellung von Halbleiterschaltungen in wirt
schaftlich realistischer Zeit zur Anwendung gelangen, standhalten, ohne
daß befürchtet werden muß, daß eine wesentliche Minderung der Haftkräfte
eintritt oder gar ein Abplatzen der Scheiben voneinander oder ein uner
wünschtes Verbiegen des Verbundkörpers erfolgt.
Gelöst wird diese Aufgabe für ein Halbzeug gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch, daß das Quarzglas des Substrats eine
Viskosität von wenigstens 14,0 Poise bei 950°C aufweist, die bei einer
Temperatur von 1050°C einen Wert von 12 Poise nicht unterschreitet, daß
der Gehalt an Alkali-Elementen im Quarzglas insgesamt höchstens 1 ppm
beträgt und daß wenigstens eine der polierten Oberflächen eine Rauh
tiefe Rq von maximal 2 nm aufweist. Unter der Rauhtiefe Rq wird der
quadratische Mittelwert der gemessenen Profilhöhe innerhalb der Einzel
meßstrecke verstanden. Bevorzugt beträgt die Rauhtiefe Rq der polierten
Oberflächen weniger als 1 nm. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, ein
Quarzglas-Substrat für den Verbundkörper zu verwenden, dessen polierte
Oberfläche eine Rauhtiefe Rq von maximal 0,5 nm aufweist.
Bei erfindungsgemäßen Halbzeugen konnten selbst nach einer Temperaturbe
handlung von zwei Stunden bei 950°C keine wesentliche Verformung, wie
Insbesondere Durchbiegungen oder Krümmungen, festgestellt werden. Dies
ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß das ausgewählte Quarzglas für
den mechanisch stabilisierenden Teil des Verbundkörpers auf Grund seiner
hohen Viskosität derartig hohen Temperaturbelastungen, wie sie beispiels
weise bei der Herstellung eines Isolationsoxides in einer Silizium-
Schicht zur Anwendung gelangen, standhält, ohne sich dabei wesentlich
mechanisch zu deformieren. Auch ein Lösen des Quarzglas-Substrats von der
Scheibe aus halbleitendem Material konnte nicht beobachtet werden. Die
vorzügliche Haftfestigkeit des Verbundes ist dadurch gewährleistet, daß
die großflächig miteinander zu verbindenden, polierten Oberflächen des
Quarzglas-Substrats und des halbleitenden Materials derart poliert sind,
daß wenigstens eine davon eine Rauhtiefe Rq von maximal 2 nm aufweist.
Eine deutliche Verbesserung der Haftfestigkeit ergibt sich, wenn die
Rauhtiefe Rq der polierten Oberfläche des Quarzglas-Substrats maximal
0,5 nm beträgt.
Durch den geringen Gehalt des verwendeten Quarzglases an Alkali-Elementen
ist sichergestellt, daß das halbleitende Material nicht durch Eindiffun
dieren solcher Elemente in seinen halbleitenden Eigenschaften negativ
beeinflußt wird.
Durch die Reinheit des Quarzglases, wie sie in den Ansprüchen 4 und 5
charakterisiert ist, ist gewährleistet, daß bei der Weiterverarbeitung
des Halbzeugs zu elektronischen Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel
Halbleiterspeicher (RAM, DRAM), Mikroprozessoren oder Transistoren, wenn
die Scheibe des halbleitenden Materials aus dotiertem Silizium besteht,
oder zu opto-elektronischen Bauelementen, wie zum Beispiel TFT-LCDs (thin
film transistor liquid crystal displays - Dünn-Film-Transistor-Flüssig-
Kristall-Displays), wenn die Scheibe des halbleitenden Materials aus
dotiertem Silizium besteht, keine die elektronischen Eigenschaften des
halbleitenden Materials nachteilig verändernden Stoffe durch beispiels
weise Diffusion in das dotierte Silizium gelangen können. Anstelle von
Scheiben aus dotiertem Silizium als halbleitendes Material können insbe
sondere zur Herstellung opto-elektronischer Bauelemente auch Scheiben aus
dotiertem Gallium-Arsenid, Gallium-Phosphid, Gallium-Aluminium-Arsenid
oder Gallium-Nitrid zur Herstellung erfindungsgemäßer Halbzeuge verwendet
werden.
Die Dicke des Quarzglas-Substrats beträgt vorteilhafterweise weniger als
10 mm; bevorzugt liegt sie unterhalb von 2 mm.
Besonders bewährt hat es sich, wenn das scheibenförmige Quarzglas-Sub
strat aus synthetischem Quarzglas besteht, das die in Anspruch 1 gefor
derte Viskosität und Reinheit besitzt.
Für die Weiterbearbeitung des erfindungsgemäßen Halbzeugs zu elektroni
schen oder opto-elektronischen Halbleiterbauelementen hat es sich be
währt, beim fertigen Verbundkörper die Scheibe aus halbleitendem Material
durch Abtragen zu vermindern, vorteilhafterweise auf eine Dicke von maxi
mal 5000 nm. Hierdurch wird der halbleitende Teil des Verbundkörpers auf
eine optimale Schichtdicke reduziert. Eine nachfolgende Dotierung kann
sowohl in der ganzen Fläche über die gesamte Schichtdicke des halbleiten
den Materials vorliegen als auch in diskreten Bereichen. Der Silizium
dioxid-Gehalt des Halbzeugs mit verminderter Schichtdicke von maximal
5000 nm an halbleitendem Material beträgt mindestens 99,2%. Zur Vermin
derung der Schichtdicke des halbleitenden Materials eignen sich aus der
Halbleitertechnik an sich bekannte mechanische Verfahren. Wenn die
Schichtdicke des halbleitenden Materials sehr dünn gemacht werden soll,
beispielsweise auf eine Dicke unterhalb 200 nm abgetragen werden soll,
kann hierzu ein Plasmaverfahren benutzt werden, wie es beispielsweise von
der Firma Hughes Danbury Optical Systems Inc., Danbury (Connecticut),
USA, kommerziell zum Dünnen von scheibenförmigen Körpern angeboten wird.
Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Herstellung eines
erfindungsgemäßen Halbzeugs beschrieben.
Als halbleitendes Material wurde eine handelsübliche, mit Bor dotierte
Scheibe aus einkristallinem Reinstsilizium (Kristallorientierung <100<)
verwendet, deren Durchmesser 150 mm betrug und die eine Dicke von
675 ₁um aufwies. Die Scheibe war kantenverrundet, ihre Planität war
30 ₁um, ihre Gesamtdickenschwankung war 6 µm.
Das Quarzglas-Substrat bestand aus transparentem, synthetischem Quarz
glas, dessen Viskosität bei einer Temperatur von 950°C einen Wert von
14,5 Poise aufwies. Der OH-Gehalt des Quarzglases lag unter 1 ppm. Das
scheibenförmige Quarzglas-Substrat hatte einen Durchmesser von 152 mm,
seine Dicke betrug 800 µm, es war kantenverrundet, es besaß eine Pla
nität von 2 µm, die Gesamtdickenschwankung war 2 µm. Das Quarz
glas-Substrat war beidseitig poliert, wobei die Rauhtiefe Rq jeder
polierten Oberfläche 0,45 nm betrug. Der Gesamtgehalt an Alkali-Elementen
lag bei 0,1 ppm.
Bevor die beiden scheibenförmigen Körper miteinander verbunden wurden,
wurden sie gereinigt. Hierzu wurde die Silizium-Scheibe nach dem bekann
ten RCA-Verfahren (Handbook of Semiconductor Silicon Technology, Noyes
Publications, New Jersey, USA 1990, S. 275 ff.) behandelt. Das Quarz
glas-Substrat wurde zunächst mit Äthylalkohol (MOS selectipur) vorgerei
nigt, danach einer Behandlung mit einer 30%igen Salzsäure (Ultrapur) für
eine Dauer von 10 Minuten unterzogen und anschließend mit höchstreinem
Wasser (0,1 µS/cm) gespült.
Nach der Reinigung wurden die miteinander zu verbindenden Körper in einem
Reinstraum übereinander angeordnet, vorzugsweise das Quarzglas-Substrat
über der Silizium-Scheibe. Leichter Druck auf die obenliegende Scheibe
führte zu einer Innigen Verbindung beider Körper miteinander. Die Quali
tät der Verbindung wurde durch das transparente Quarzglas anhand des
Interferenzmusters begutachtet und läßt sich auf diese Weise gut kontrol
lieren.
Das so hergestellte Halbzeug in Form eines Verbundkörpers wies mecha
nische Spannungen von weniger als 1000 N/cm² auf. Für die Elektronen
beweglichkeit in der einkristallinen Silizium-Scheibe wurde bei Raumtem
peratur ein Wert von mehr als 100 cm²/V/s gemessen.
Anschließend wurde die Dicke der mit dem Quarzglas-Substrat verbundenen
Silizium-Scheibe durch mechanisches Abtragen von ihrer Ausgangsdicke von
675 µm auf eine Dicke von 2000 nm vermindert.
In den Fig. 1 bis 3 sind Beispiele erfindungsgemäßer Halbzeuge darge
stellt. Es zeigen:
Fig. 1 Eine perspektivische Ansicht eines Halbzeugs.
Fig. 2 Einen Vertikalschnitt durch ein Halbzeug.
Fig. 3 Einen Vertikalschnitt durch ein Halbzeug.
Das Halbzeug gemäß Fig. 1 besteht aus einem scheibenförmigen, transpa
renten Quarzglas-Substrat 1, dessen polierte Oberfläche 2 ganzflächig mit
der polierten Oberfläche 3 einer Silizium-Scheibe 4 direkt verbunden ist.
Die Abmessungen des Quarzglas-Substrates und der Silizium-Scheibe sowie
deren Planität und Gesamtdickenschwankung entsprechen den im Ausführungs
beispiel angegebenen Werten. Die Viskosität des Quarzglas-Substrates
betrug hier 14,5 Poise bei 950°C, sein OH-Gehalt lag unter 1 ppm, sein
Gesamtgehalt an Alkali-Elementen betrug 0,1 ppm.
Fig. 2 zeigt ein Halbzeug mit Quarzglas-Substrat 1 und Silizium-Schei
be 2. Bei diesem Halbzeug ist die ursprüngliche Dicke der Silizium-Schei
be 2 nach Herstellung des Verbundkörpers durch mechanisches Abtragen auf
eine Dicke von 2000 nm vermindert. Danach wurde die dicken-verminderte
Silizium-Scheibe über ihre gesamte Schichtdicke, wie durch Punktierung
angedeutet, mit Arsen, wie in der Halbleitertechnik üblich, dotiert.
Das in Fig. 3 dargestellte Halbzeug aus Quarzglas-Substrat 1 und Sili
zium-Scheibe 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten da
durch, daß bei einer nach ihrer Dickenverminderung auf maximal 1000 nm
Dicke vorliegenden Silizium-Scheibe diskrete, nicht aneinandergrenzende
Flächenbereiche über ihre darunter liegende, gesamte Schichtdicke, wie
durch Schraffierung angedeutet, mit Arsen, wie in der Halbleitertechnik
üblich, dotiert sind.
Claims (17)
1. Halbzeug in Form eines Verbundkörpers für ein elektronisches oder
opto-elektronisches Halbleiterbauelement, wobei der Verbundkörper
aus einem scheibenförmigen, transparenten Quarzglas-Substrat und
einer Scheibe aus einem halbleitenden Material besteht und wobei
direkt und großflächig miteinander verbundene Oberflächen des Quarz
glas-Substrats und der Scheibe vor dem Verbinden miteinander poliert
sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas des Substrats eine
Viskosität von wenigstens 14,0 Poise bei 950°C aufweist, die bei
einer Temperatur von 1050°C einen Wert von 12 Poise nicht unter
schreitet, daß der Gehalt an Alkali-Elementen im Quarzglas insgesamt
höchstens 1 ppm beträgt und daß wenigstens eine der polierten Ober
flächen eine Rauhtiefe Rq von maximal 2 nm aufweist.
2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
eine der polierten Oberflächen eine Rauhtiefe Rq von weniger als
1 nm aufweist.
3. Halbzeug nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rauhtiefe Rq der polierten Oberfläche des Quarzglas-Substrats
maximal 0,5 nm beträgt.
4. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Quarzglas des Substrats an metallischen Verunreinigungen aus
den Elementen Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom und/oder der Übergangs
metalle insgesamt höchstens 1 ppm enthält.
5. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Quarzglas einen Gehalt von insgesamt höchstens 1 ppm der
Elemente Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Bor, Gallium, Indium
und/oder Titan aufweist.
6. Halbzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der OH-Gehalt des Quarzglases höch
stens 1 ppm beträgt.
7. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Quarzglas ein synthetisches Quarzglas ist.
8. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Quarzglas-Substrat eine Dicke von 10 mm
aufweist.
9. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke des Quarzglas-Substrats unterhalb 2 mm
liegt.
10. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus einkristallinem
Silizium besteht.
11. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus einkristallinem
Gallium-Arsenid, Gallium-Phosphid, Gallium-Aluminium-Arsenid oder
Gallium-Nitrid besteht.
12. Halbzeug nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das halbleitende Material dotiert ist.
13. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Scheibe aus halbleitendem Material durch
Abtragen vermindert ist.
14. Halbzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe
aus halbleitendem Material durch Abtragen auf eine Dicke von maximal
5000 nm vermindert ist.
15. Halbzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
Dicke von maximal 5000 nm die Scheibe aus halbleitendem Material
über ihre gesamte Schichtdicke dotiert ist.
16. Halbzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
Schichtdicke von maximal 1000 nm diskrete, nicht aneinandergrenzende
Flächenbereiche der Scheibe aus halbleitendem Material über ihre
darunter liegende gesamte Schichtdicke dotiert sind.
17. Halbzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Silizium-Dioxid-Gehalt des Verbundkörpers mindestens 99,2%
beträgt.
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