DE60209802T2

DE60209802T2 - Verfahren zum erhalten eines selbsttragenden halbleiterdünnfilms für elektronische schaltungen

Info

Publication number: DE60209802T2
Application number: DE60209802T
Authority: DE
Inventors: Olivier Rayssac; Carlos Mazure; Bruno Ghyselen
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: US20040175902A1; CN100511635C; FR2828762A1; CN1568540A; EP1423873B1; KR100753741B1; WO2003017357A1; JP2005500692A; FR2828762B1; WO2003017357A8; EP1423873A1; KR20040028993A; ATE320083T1; DE60209802D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhalt einer selbsttragenden Dünnschicht aus einem Halbleitermaterial, die mindestens ein elektronisches Bauelement und/oder einen elektronischen Schaltkreis trägt oder dazu bestimmt ist, diese zu tragen.
In bestimmten Bereichen der Elektronik, der Optik, der Optoelektronik oder der Sensoren treiben die technischen Entwicklungen die Konstrukteure dazu, immer dünnere mit elektronischen Bauelementen und Schaltkreisen ausgestattete Dünnschichten herzustellen.
Insbesondere im Bereich der Chipkarten ist es wünschenswert, dass diese immer dünner und somit flexibler sind, da sie dann toleranter gegenüber Verformung sind. In anderen Worten, je flexibler bei konstanter Verformung die Dünnschicht ist, desto eher wird es möglich, große Schaltkreise zu realisieren.
Bei bestimmten Hochfrequenz-Anwendungen ist ein integrierter Schaltkreis, der von der Vorderseite eines aus einem Substrat vom Typ Silicon-on-Insulator (unter der eingetragenen Marke SOI bekannt) bestehenden Plättchens getragen wird, an eine Antenne angeschlossen, um die kontaktlose Erfassung zu erreichen. Als Beispiel können Bus- oder U-Bahn-Tickets genannt werden, die es ermöglichen, den Durchgang einer Person in Distanz zu einem Sende-Empfangsgerät freizugeben.
Der Vorteil der Verwendung eines Substrates vom Typ Silicon-on-Insulator besteht darin, dass die Leistung, die von dem auf seiner Oberfläche aufgebrachten Bauelement verbraucht wird, weitaus geringer ist als die der Bauelemente, die auf einer Siliziumschicht ausgebildet werden. Bei gleicher Leistung erhält man somit eine Erhöhung der Betriebsreichweite.
Durch die Verbindung der Vorteile, die durch die auf einem Silicon-on-Insulator-Substrat ausgebildeten Bauelemente gegebenen sind, mit der Verwendung von aktiven Schichten, die so dünn wie möglich sind, ist es möglich, ein Produkt – zum Beispiel ein Ticket – zu erhalten, dessen Wirkungsbereich vergrößert ist und dessen mechanischer Widerstand gegenüber äußeren Beanspruchungen sehr stark erhöht ist.
Derzeit liegt die Dicke der Dünnschichten vor der "Kartenintegrierung" (das heißt der Befestigung des Chips auf der Kunststoffkarte, die ihm als Träger dient) in einer Größenordnung von ungefähr hundert Mikrometern.
Die Technik, die verwendet wird, um diesen Dickenbereich zu erreichen, besteht darin, ein Dünnungsverfahren auf der Rückseite eines Substrates durchzuführen, das heisst auf derjenigen Seite, welche der Seite gegenüberliegt, die die elektronischen Bauelemente trägt. Diese Dünnung wird durch mechanisches Schleifen mit Hilfe einer Schleifmaschine (diese Technik ist unter dem englischen Begriff "grinding" bekannt) und/oder durch chemischen Säureangriff (eine derartige Technik ist unter dem englischen Begriff "spin-etching" bekannt) durchgeführt. Man erhält auf diese Weise Dünnschichten einer Dicke zwischen 80 und 120 μm (einschließlich). Diese Technik läßt eine Großproduktion zu.
Verschiedene Versuche wurden bereits unternommen, um Dünnschichten zu erhalten, die eine Enddicke von weniger als 100 μm aufweisen. Jedoch wurden die Hersteller aufgrund der hohen Anzahl an Fehlproduktionen, insbesondere aufgrund von Plattenbrüchen oder -spaltungen, mit Problemen hinsichtlich der Produktionsausbeute konfrontiert. Nun ist aber der Bereich der Chipkarten einer der Bereiche der Elektronik, in dem die Kosten so niedrig wie möglich gehalten werden sollten, so daß Ausbeuteverluste von einigen Prozent und selbst einigen Zehntel Prozent nicht tolerierbar sind.
In Anbetracht der vorhersehbaren Entwicklung der Chipkarten in den kommenden Jahren wäre es jedoch wünschenswert, selbsttragende Dünnschichten oder dünne Plättchen zu erhalten, deren Dicke um 30 μm liegt, und die elektronische Bauelemente und/oder Schaltkreise tragen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren bekannt, die es ermöglichen, selbsttragende Schichten von einer Dicke von mehreren zehn Mikrometern zu erhalten.
So beschreibt das Dokument EP 0849788 ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterproduktes, gemäß welchem die Oberfläche eines Substrates aus monokristallinem Silizium porös gemacht wird und dann auf dieser porösen Schicht durch Epitaxie eine Schicht aus nicht porösem Silizium von der Dicke der gewünschten aktiven Schicht zum Wachsen gebracht wird. Man erhält auf diese Weise eine poröse und somit versprödete Schicht, die zwischen zwei Schichten aus nicht porösem Silizium gelagert ist. Die oberflächliche aktive Siliziumschicht kann dann behandelt werden, um darauf zusätzliche Schichten, zum Beispiel dotierte Schichten, abzuscheiden, woraufhin eine Klebefolie (bzw. Klebefilm) auf diesen Schichtstapel appliziert wird. Schließlich, nach Entfernen dieser Klebefolie und Zerstören des Schichtstapels in Höhe der porösen Schicht und anschließender Entfernung des Restes dieser porösen Schicht wird es möglich, elektronische Bauelemente auf der aktiven Siliziumschicht, die selbsttragend sein kann, auszubilden.
Leider stößt dieses Verfahren auf Probleme, die mit der Qualität der auf der porösen Schicht gebildeten kristallinen Siliziumschicht und der Ausbildung der Schicht aus porösem Silizium verbunden sind. Letztere erfordert nämlich unkonventionelle Geräte und führt zu einer möglichen Metallkontamination.
Zudem erfordert dieses Verfahren vor einer Ausbildung der elektronischen Bauelemente die Herstellung eines spezifischen Substrates, was erfordern kann, das Verfahren zur Ausbildung der Bauelemente signifikant zu ändern. Dies ist aber aus Kostengründen im Allgemeinen nicht wünschenswert.
Es sind auch Techniken zum Erzeugen von Dünnschichten bekannt, die insbesondere auf dem unter der eingetragenen Marke "Smart-cut" bekannten Verfahren beruhen, welches dem Fachmann gut bekannt ist.
In allen diesen Techniken zum Erzeugen von Dünnschichten erfolgt die Implantation der Atomarten auf der Vorderseite des Substrates oder des Plättchens, das heißt der Seite, welche die elektronischen Bauelemente trägt oder dazu bestimmt ist, diese zu tragen.
So offenbart das Dokument FR 2 747 506 ein Ionenimplantationsverfahren, das, nach der Herstellung der elektronischen Bauelemente, auf der Vorderseite des Substrates Mikrogasbläschen erzeugt.
Jedoch kann die Ionenimplantation durch die elektrisch aktiven Schichten, welche die elektronischen Bauelemente bilden, Defekte erzeugen, die diese Bauelemente unbrauchbar machen.
Das Dokument FR 2 758 907 gibt vor, dieses Problem zu lösen, indem eine Maskierung der empfindlichen aktiven Bereiche verwendet wird und auf diese Weise eine diskontinuierliche versprödete Schicht gebildet wird. Jedoch ist dieses Verfahren schwierig durchzuführen.
Schließlich bietet das Dokument FR 2 748 851 eine andere Lösung für das vorgenannte Problem der Fehlfunktion der elektronischen Bauelemente. Das in diesem Dokument offenbarte Verfahren besteht darin, die Ionenimplantation auf der Vorderseite eines Substrates durchzuführen, bevor die elektronischen Bauelemente auf dieser Seite erzeugt werden, und erst danach die Trennung der Dünnschicht durchzuführen.
Dieses Verfahren erfordert jedoch die Herstellung eines spezifischen Substrates, bevor die elektronischen Bauelemente ausgebildet werden, was erfordern kann, das Verfahren zur Ausbildung der Bauelemente signifikant zu ändern. Dies ist aber aus Kostengründen im Allgemeinen nicht wünschenswert.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die vorgenannten Probleme zu lösen und die Erzeugung einer selbsttragenden Schicht zu ermöglichen, die elektronische Bauelemente und/oder Schaltkreise trägt, insbesondere einer Schicht, deren Dicke in einer Größenordnung von 30 μm liegt.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Dank dieser Merkmale der Erfindung wird es möglich, Dünnschichten mit hohen Ausbeuten herzustellen, die mit den bekannten Techniken nur schwer zu erzeugen sind, wobei das Verfahren zur Herstellung der elektronischen Bauelemente nicht verändert werden muß oder kein spezifisches Plättchen hergestellt werden muß, wie es im Stand der Technik oft der Fall war.
Gemäß weiterer vorteilhafter aber nicht einschränkender Merkmale der Erfindung, einzeln oder miteinander kombiniert

– besteht das Verfahren vor dem ersten Implantationsschritt a) darin, das Plättchen durch ein auf seiner Rückseite durchgeführtem mechanischen und/oder chemischen Dünnungsverfahren abzudünnen;
– besteht es darin, vor dem ersten Implantationsschritt mindestens ein elektronisches Bauelement und/oder einen elektronischen Schaltkreis auf der Vorderseite des Plättchens auszubilden;
– wird der Schritt des Ablösens des Rückteils durch Anwendung einer Wärmebehandlung und/oder äußerer mechanischer Belastungen durchgeführt;
– wird der Schritt des Ablösens des Rückteils durch Aufblasen eines Fluidstrahls durchgeführt;
– wird der Schritt des Ablösens des Rückteils durch Bürsten durchgeführt;
– wird der Schritt des Ablösens des Rückteils durch Auftragen eines Verstärkungsmittels auf die Rückseite des Plättchens und anschließende Anwendung einer Wärmebehandlung und/oder äußerer mechanischer Belastungen auf dieses Verstärkungsmittel durchgeführt;
– wird das Verstärkungsmittel durch Abscheidung aufgetragen;
– ist das Verstärkungsmittel eine Siliziumoxidschicht;
– ist das Verstärkungsmittel eine feste Platte;
– besteht die feste Platte aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium oder aus Glas;
– ist das Verstärkungsmittel eine elastische Folie;
– ist das Verstärkungsmittel eine Klebefolie;
– ist das Verstärkungsmittel eine Wachsschicht;
– wird vor dem Schritt des Ablösens des Rückteils ein Verstärkungsmittel auf der Vorderseite des Plättchens aufgetragen und dieses Verstärkungsmittel wird nach Erhalt der selbsttragenden Dünnschicht abgelöst;
– besteht das Plättchen aus Silizium;
– ist das Plättchen ein "Silicon-on-Insulator"-Plättchen;
– wird das Plättchen aus einem Material hergestellt, das aus Germanium, einer Silizium-Germanium-Legierung (Si-Ge), Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Indiumphosphat (InP), Galliumnitrid (GaN) oder Aluminiumnitrid (AlN) ausgewählt ist.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die als veranschaulichende aber nicht einschränkende Beispiele angeführt werden. Diese Beschreibung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben, in welchen:
die 1 bis 6 Schemata sind, welche die verschiedenen aufeinanderfolgenden Schritte einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen;
die 7 bis 12 Schemata sind, welche die verschiedenen aufeinanderfolgenden Schritte einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen, und
die 13 bis 17 Schemata sind, welche die aufeinanderfolgenden Schritte einer dritten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung veranschaulichen;
die 18 bis 21 Schemata sind, welche die aufeinanderfolgenden Schritte einer Variante der Verfahrensausführung veranschaulichen.
Es ist anzumerken, dass in den drei beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens die beiden ersten Schritte (die jeweils für die erste Ausführungsform in den 1 und 2, für die zweite Ausführungsform in den 7 und 8 und für die dritte Ausführungsform in den 13 und 14 veranschaulicht sind) identisch sind. Folglich werden sie nur für die erste Ausführungsform ausführlich beschrieben.
1 veranschaulicht ein Plättchen 1, das eine erste flache Seite 2, die sogenannte "Vorderseite", die mindestens ein elektronisches Bauelement und/oder einen elektronischen Schaltkreis 3 trägt – oder dazu bestimmt ist, diese zu tragen, und eine zweite gegenüberliegende flache Seite 4, die sogenannte "Rückseite", aufweist.
Unter elektronischem Bauelement und/oder Schaltkreis versteht man jede Struktur oder jedes Element einer Struktur, die vollständig oder teilweise ausgebildet und mit dem Ziel ausgearbeitet wurde, Bauelemente, Schaltkreise und Vorrichtungen in den Bereichen der Elektronik, der Optik, der Optoelektronik oder der Sensoren, und allgemeiner in den Anwendungsbereichen, die mit Halbleitern in Bezug stehen, zu realisieren.
Mit dem Ausdruck "mindestens ein elektronisches Bauelement und/oder einen elektronischen Schaltkreis trägt – oder dazu bestimmt ist, diese zu tragen" ist gemeint, dass das bzw. die Bauelement(e) und/oder der bzw. die Schaltkreis(e) entweder bereits auf der Vorderseite 2 des Plättchens 1 ausgebildet sind, bevor die Schritte des Verfahrens der Erfindung begonnen werden, oder später ausgebildet werden, aber dennoch auf der Vorderseite 2, während alle anderen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der entgegengesetzten Seite, der sogenannten "Rückseite", durchgeführt werden.
Zur Vereinfachung wird in der weiteren Beschreibung (und wie in den Figuren dargestellt) der Fall beschrieben, bei dem die Bauelemente und/oder Schaltkreise 3 auf dem Plättchen 1 vor dem Ablauf der verschiedenen Dünnungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet wurden.
Es sei bemerkt, dass in den Verfahren aus dem Stand der Technik, in denen die Bauelemente 3 nach der Dünnung ausgebildet werden, diese Dünnung auf der Vorderseite 2 durchgeführt wurde.
Das Plättchen 1 wird aus einem Halbleitermaterial gefertigt, wobei dieses monokristallin, polykristallin oder amorph und insbesondere ein Material auf Basis von Silizium sein kann.
Dieses Silizium kann massiv sein oder durch Epitaxie auf einem Substrat erhalten werden.
Dieses Plättchen 1 kann auch ein "Silicon-on-Insulator"-Plättchen sein, das heißt eine dünne Isolierschicht (zum Beispiel aus Siliziumoxid) enthalten, die zwischen eine Schicht aus aktivem Silizium, auf welche der elektronische Schaltkreis aufgeprägt ist, und einem Substrat, das als mechanischer Träger dient, eingefügt ist. Ein Plättchen dieser Art ist unter dem Akronym "SOI" bekannt.
Gemäß einer Variante kann dieses Plättchen auch aus einem Material gefertigt sein, das aus Germanium, einer Silizium-Germanium-Legierung (Si-Ge), Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Indiumphosphat (InP), Galliumnitrid (GaN) oder Aluminiumnitrid (AlN) ausgewählt ist.
Dieses Plättchen 1 weist eine Dicke von mehreren hundert Mikrometern auf (zum Beispiel weist ein Siliziumplättchen von 200 mm Durchmesser eine Dicke von ungefähr 725 μm auf). Folglich ist das Plättchen 1 in 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Die Rückseite 4 dieses Plättchens 1 wird dann durch eines der vorgenannten klassischen Verfahren gedünnt, das heißt durch mechanisches Schleifen und/oder durch chemischen Säureangriff, wie durch den Pfeil A symbolisiert ist. Es könnte auch eine Dünnung durch Plasmaätzung verwendet werden. Die Rückseite ist die, die keine elektronischen Bauelemente trägt.
Man erhält auf diese Weise das in 2 veranschaulichte gedünnte Plättchen von einer Dicke zwischen 80 und 120 μm, oder sogar 50 μm.
Die Rückseite dieses gedünnten Plättchens wird durch das Bezugszeichen 4' bezeichnet.
Dieser Schritt ist insofern vorteilhaft, als er es ermöglicht, eine große Menge Material gemäß einer dem Fachmann gut bekannten und gängig eingesetzten Technik zu geringen Kosten zu entfernen. Jedoch kann er nicht bis zum Erhalt der Dünnschicht der gewünschten Dicke fortgesetzt werden, da man dann, wie vorstehend erklärt, mit einer starken Verminderung der Ausbeute konfrontiert ist.
Tatsächlich erhöht die Fortsetzung dieses Verfahrens über die vorgenannten Dicken von 50 μm hinaus stark die Gefahr von Plättchenbrüchen und -spaltungen.
Darüber hinaus ist die erhaltene Dicke insbesondere nach einem chemischen Angriff nicht mehr einheitlich.
Zudem hinterläßt die mechanische Dünnung durch Schleifen einen Oberflächenbereich von einigen Mikrometern Dicke leicht beschädigt. Nähert man sich der gewünschten Enddicke, ist dies jedoch nicht annehmbar.
Schließlich ist das Plättchen nach einem chemischen Angriff an seinen Rändern stärker angegriffen als in seiner Mitte. Wenn man geringe Dicken erreicht, ergibt sich daraus einer Verringerung des Durchmessers und somit eine Verringerung der Oberfläche, die von den Bauelementen eingenommen werden kann.
Es ist jedoch anzumerken, dass dieser erste Schritt der mechanischen und/oder chemischen Dünnung, obwohl er aus wirtschaftlicher Sicht vorteilhaft ist, fakultativ ist und dass der nachfolgende Schritt der Implantation von Atomarten auch direkt auf der Rückseite 4 des nicht gedünnten Plättchens 1 durchgeführt werden könnte.
Der in 3 veranschaulichte dritte Schritt des Verfahrens besteht darin, Atomarten (Pfeile I) ins Innere des Plättchens 1 zu implantieren, so dass in einer Tiefe, die nahe der durchschnittlichen Tiefe P der Implantation der Atomarten liegt, ein Versprödungsbereich 5 oder Defektbereich erhalten wird.
Gemäß einem grundlegenden Merkmal der Erfindung wird diese Implantation von der Rückseite 4' (oder 4, wenn das Plättchen zuvor nicht gedünnt wurde) aus durchgeführt.
Unter Implantation von Atomarten versteht man jeden Beschuß mit Atom-, Molekül- oder Ionenarten, der dazu geeignet ist, diese Arten in ein Material mit einem Konzentrationsmaximum dieser Arten in diesem Material einzubringen, wobei dieses Maximum in einer bestimmten Tiefe bezüglich der beschossenen Fläche liegt. Die Atom-, Molekül- oder Ionenarten werden mit einer Energie in das Material eingebracht, die ebenfalls um ein Maximum verteilt ist.
Die Implantation der Atomarten in das Material kann zum Beispiel mit Hilfe eines Ionenstrahlimplantators oder eines Plasmaimmersionimplantators durchgeführt werden.
Diese Implantation wird bevorzugt durch Ionenbeschuß durchgeführt. Dieser besteht in einem Schritt der Ionenimplantation, in welchem die Rückseite des Plättchens 1 mit Atomarten beschossen wird. Diese werden bevorzugt aus den Ionen von Edelgasen (vom Typ Helium, Neon, Krypton, Xenon) und von Wasserstoffgas, einzeln oder miteinander kombiniert, ausgewählt, um im Substratvolumen und in einer durchschnittlichen Eindringtiefe der Ionen einen Versprödungsbereich 5 zu bilden.
Bevorzugt bestehen jedoch die implantierten Atomarten nur aus Wasserstoff.
Der auf diese Weise gebildete Versprödungsbereich grenzt einen Vorderteil (bzw. vorderen Bereich) 6 ab, der dem oberen Teil des Plättchens 1 entspricht und sich von der die Bauelemente 3 tragenden Vorderseite 2 bis zu diesem Versprödungsbereich 5 erstreckt, und einen Rückteil (bzw. hinteren Bereich) 7, der vom Rest des Plättchens 1 gebildet wird.
Mittels der Energie der implantierten Atomarten ist es möglich, die durchschnittliche Tiefe P der Implantation dieser Arten zu bestimmen, die von der Oberfläche der Rückseite 4' aus berechnet wird, während es die durchschnittliche implantierte Dosis ermöglicht, die Menge der in dieser Tiefe P gebildeten Strukturdefekte zu bestimmen. Der Fachmann wird diese beiden Parameter entsprechend anpassen. Der Ausdruck "durchschnittliche Tiefe P" bedeutet, dass diese nicht einen einzelnen Wert aufweist, sondern mehrere benachbarte Werte aufweisen kann.
In der in 3 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform verwendet man eine Implantation bei hoher Energie, das heißt die bei ungefähr 1 MeV durchgeführt wird.
Als veranschaulichendes Beispiel ist es mit einer derartigen Implantationsenergie und durch Implantation von monoatomarem Wasserstoff in ein Siliziumplättchen gemäß einer geeigneten Dosis (zum Beispiel in einer Größenordnung von 10¹⁷ Wasserstoffatomen) möglich, eine Implantationstiefe von ungefähr 15 μm zu erreichen.
Vorrichtungen, die es erlauben, eine derartige Implantationsenergie zu erhalten, sind derzeit bekannt. Zum Beispiel hat das Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) in Japan einen Wasserstoffimplantator mit Energiebereichen von 1 MeV entwickelt und verwendet, mit der Besonderheit, für die Wasserstoffionen einen Ladungszustand –1 ("H-"-Ionen) aufrechtzuerhalten. Für den Fall von Helium verwendet das Dokument WO 00/61 841 beispielsweise eine Implantationsenergie von 3,8 MeV.
Die nachfolgenden Schritte des Verfahrens, die in den 4 und 5 beschrieben sind, bestehen darin, das Ablösen des Rückteils 7 des Plättchens 1 durchzuführen.
Im vorliegenden Fall hat dieser Rückteil 7 eine ausreichende Dicke, um in der Form einer Monoblockschicht vorzuliegen, das heißt, dass die Schicht eine Gesamtheit bildet.
Ihre Ablösung vom Vorderteil 6 wird dann durch Anwendung einer Wärmebehandlung und/oder durch Anwendung von äußeren mechanischen Belastungen durchgeführt.
Genauer kann diese Ablösung entweder allein unter der Wirkung der Zufuhr einer geeigneten Wärmemenge durch Erhitzen des Plättchens 1 auf eine Temperatur erfolgen, die ausreicht, um ein Lösen (Pfeile S, siehe 5) der beiden Teile 6 und 7 des Plättchens zu bewirken, oder allein durch Anwendung von äußeren mechanischen Belastungen ohne Wärmebehandlung.
Gemäß einer Variante kann diese Ablösung auch mit Hilfe einer äußeren mechanischen Belastung erfolgen, die während oder nach dem Schritt der Wärmebehandlung angewandt wird.
Die Anwendung einer äußeren mechanischen Belastung kann darin bestehen, eine Biegekraft und/oder eine Zugkraft oder eine Scherkraft auf die beiden Teile 6 und 7 auszuüben oder darin, zwischen diese im Bereich der Schnittstelle der zu lösenden Schichten eine Schneide oder einen kontinuierlichen oder zeitlich variablen (flüssigen oder gasförmigen) Fluidstrahl einzuführen.
Es kann sich auch um eine Ultraschallbehandlung handeln.
Die äußeren mechanischen Belastungen können auch auf elektrische Energie zurückgehen (Anwendung eines elektrostatischen oder elektromagnetischen Feldes).
Die Belastungen, die ihren Ursprung in einer Wärmeenergie haben, können aus der Anwendung eines elektromagnetischen Feldes, eines Elektronenstrahls, einer thermoelektrischen Erwärmung, eines kryogenen Fluids, einer supergekühlten Flüssigkeit usw. stammen.
Der auf diese Weise erhaltene Vorderteil 6 bildet eine Dünnschicht mit einer Dicke von ungefähr 35 μm. Diese Dünnschicht trägt die Bauelemente und/oder die Schaltkreise 3.
Die Rückseite 4'' dieser Dünnschicht kann in bestimmten Fällen poliert sein (siehe 6) oder verschiedene geeignete Oberflächenbehandlungen erfahren, um völlig eben zu werden. Die Ebenheit ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da es sich nur um die Rückseite handelt.
Die auf diese Weise erhaltene Dünnschicht weist eine ausreichende Dicke auf, um selbsttragend zu sein. Sie kann dann zerschnitten und Chip für Chip zum Beispiel auf eine Trägerkarte aus Kunststoff übertragen werden. Das Zerschneiden in Chips kann auch vor der Dünnung erfolgen.
Wenn die abgenommene Dicke, das heißt die Dicke des Rückteils 7, unzureichend ist, werden die in den 3, 4 und 5 veranschaulichten Implantations- und Ablösungsschritte auf der Rückseite 4'' des Vorderteils 6 (oder Dünnschicht 6) wiederholt, bis dieser die gewünschte Dicke aufweist, das heißt eine Dicke, die nahe an 30 μm liegt.
Es sei bemerkt, dass eine Implantation mit sehr hoher Energie, das heißt über 1 MeV (zum Beispiel 5 MeV) es ermöglichen könnte, die Tiefe P der Implantation der Ionen zu erhöhen und eine noch dickere Materialschicht zu entfernen.
Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das Plättchen 1 abzudünnen, ohne die elektronischen Bauelemente 3 zu beschädigen, wenn sich diese bereits vor der Implantation auf der Vorderseite 2 befinden.
Darüber hinaus wird es bei Kenntnis der Dicke des ursprünglichen Plättchens 1 und bei geeigneter Wahl der Parameter für die Implantation der Atomarten möglich sein, die Dicke dieses Plättchens 1 auf ein oder mehrere Male durch Entfernen einer bestimmten Dicke so zu verringern, dass die gewünschte Enddicke für die Schicht 6 relativ genau erhalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Implantationsgeräte bestmöglich zu verwenden. Im Allgemeinen wird die Dünnung durch Implantation mit hoher Energie begonnen, um einen Rückteil 7 von wesentlicher Dicke zu entfernen, woraufhin durch Implantation mit schwächerer Energie eine Verfeinerung durchgeführt wird, bei der eine geringere Dicke entfernt wird.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in den 7 bis 12 veranschaulicht.
9 veranschaulicht den Schritt der auf der Rückseite 4' des gedünnten Plättchens (oder sogar direkt auf der Rückseite 4 des zuvor nicht gedünnten Plättchens 1) durchgeführten Implantation der Atomarten.
In diesem Fall erfolgt die Implantation mit Hilfe der derzeit in der Mikroelektronik geläufig verwendeten Implantierer. Die Implantationsenergie ist schwach, das heißt sie beträgt etwa einige hundert keV.
Für die Implantation ist auf das zu Verweisen, was bereits zuvor für die erste Ausführungsform dargelegt wurde.
Beispielsweise kann für eine Implantation von monoatomarem Wasserstoff in Silizium bei einer Implantationsenergie von 210 keV mit einer Implantationsdosis zwischen 2·10¹⁶ und 10¹⁷ monoatomaren Wasserstoffatomen pro cm² ein Versprödungsbereich 5 in einer Implantationstiefe P von ungefähr 1,5 bis 2 μm realisiert werden.
Die 10 und 11 veranschaulichen den Schritt des Ablösens des Rückteils 7.
In diesem Bereich wenig tiefer Implantationsdicke blättert der Rückteil 7 nicht oder nur teilweise ab. Er weist keine einheitliche Erscheinungsform auf. Es bilden sich Blasen 10, und der Rückteil 7 liegt eher als Vielzahl von Materialspänen (kleinen Teilchen) vor.
Wie in 7 veranschaulicht, wird dieser Rückteil 7 dann zum Beispiel durch Bürsten 11 oder durch Aufblasen eines Fluidstrahls (zum Beispiel eines Flüssigkeitsstrahls unter Druck oder eines Gasstrahls, wie komprimierter Luft) abgelöst. Das angewendete Bürsten 11 ist zum Beispiel ein Bürsten ("scrubber" gemäß dem entsprechenden angelsächsischen Ausdruck), wie diejenigen, die in der Mikroelektronik geläufig in Verbindung mit Schritten des chemisch-mechanischen Polierens (CPM für "chemical mechanical polishing" gemäß dem entsprechenden angelsächsischen Ausdruck) verwendet werden. Unter Bürsten ist auch jede andere dem Fachmann bekannte entsprechende Technik zu verstehen, die es ermöglicht, Partikel oder andere Materialspäne zu entfernen, wie ein Polieren oder die Verwendung eines Schabers.
Die in den 9, 10 und 11 veranschaulichten Schritte der Implantation und des Ablösens des Rückteils 7 werden auf der Rückseite 4'' des Vorderteils 6 bis zum Erhalt der in 12 dargestellten selbsttragenden Dünnschicht wiederholt.
Die 13 bis 17 veranschaulichen eine dritte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Der in 15 veranschaulichte Schritt der Implantation von Atomarten mit niedriger Energie ist mit dem identisch, was vorstehend für die 9 beschrieben wurde.
Nach diesem Implantationsvorgang wird auf die Rückseite 4' des gedünnten Plättchens (oder die Rückseite 4 des nicht gedünnten Plättchens) ein Verstärkungsmittel 12 aufgetragen.
Unter dem Begriff "Auftragung" versteht man sowohl eine Auftragung durch Abscheidung wie durch Pulverisierung oder durch chemische Gasphasenabscheidung (im Englischen CVD für "chemical vapor deposition") als auch eine "physikalische" Auftragung, die darin besteht, eine feste Platte oder eine elastische Folie auf der Vorderseite 2 anzubringen. Diese Techniken sind dem Fachmann bekannt.
Im Fall der festen Platte kann es sich um eine Platte aus Glas oder aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium handeln.
Im Fall der elastischen Folie kann es sich um eine Folie aus Kunststoff oder aus Polytetrafluorethylen, das unter der eingetragenen Marke "Teflon" bekannt ist", oder um ein Klebeband handeln.
Das Verstärkungsmittel kann auch eine Wachsschicht sein.
Im Fall einer Abscheidung handelt es sich vorteilhafterweise zum Beispiel um eine Siliziumdioxidschicht (SiO₂).
Wenn das Verstärkungsmittel 12 eine feste Platte oder eine elastische Folie ist, kann es durch molekulare Adhäsion oder durch eutektisches Bonden aufgeklebt werden. In diesem Fall muss die Rückseite des Substrates einen guten Oberflächenzustand aufweisen oder poliert sein.
Dieses Verstärkungsmittel 12 kann auch mit einem Klebstoff aufgeklebt werden.
Anschließend wird es durch die Anwendung von mechanischen Belastungen (Pfeile S) oder, wenn es aufgeklebt ist, durch eine Wärmebehandlung entfernt, die es ermöglicht, den Klebstoff, der es mit dem Plättchen verbindet, zu beseitigen, oder durch eine chemische Behandlung, die unter dem englischen Begriff "left-off" (Auflösung des Klebstoffes durch die Wirkung eines geeigneten Lösungsmittels) bekannt ist.
Die in den 15, 16 und 17 veranschaulichten Vorgänge können auf der Rückseite 4'' des Vorderteils 6 (oder Dünnschicht 6) mehrmals wiederholt werden, bis dieser die gewünschte Dicke aufweist (in 6 oder 12 veranschaulichter Schritt).
Schließlich veranschaulichen die 18 bis 21 eine Ausführungsvariante des Verfahrens der Erfindung, gemäß der entweder vor dem Schritt der Implantation von Atomarten (siehe 18) oder unmittelbar nach diesem Schritt (siehe 19) ein Verstärkungsmittel 9 auf der Vorderseite 2 des Plättchens 1 aufgetragen wird, so dass dieses Verstärkungsmittel 9 zum Zeitpunkt des Ablösens des Rückteils 7 vorliegt.
Was hinsichtlich der Eigenschaft und der Auftragung des Verstärkungsmittels 12 dargelegt wurde gilt auch für das Verstärkungsmittel 9, und dieses letztere wird nicht weiter beschrieben.
Dieses Verstärkungsmittel 9 hat nur die Funktion, die Manipulierung des erhaltenen Vorderteils 6 vorübergehend zu erleichtern, insbesondere wenn die Dünnungsvorgänge von der Rückseite aus mehrmals wiederholt werden.
Nach Erhalt der selbsttragenden Schicht 6 in der gewünschten Dicke kann dieses Verstärkungsmittel 9 durch eine geeignete Behandlung im letzten Schritt des Verfahrens (siehe 21) entfernt werden. Es kann gegebenenfalls nach dem Zerschneiden und der Kartenintegrierung der Schicht 6 entfernt werden.
Das Dünnungsverfahren, das soeben beschrieben wurde, hat (unabhängig von der gewählten Ausführungsform) den Vorteil, dass es auf Standardplättchen, die in der Mikroelektronik geläufig verwendet werden, durchgeführt wird, auf welche die elektronischen Bauelemente und/oder Schaltkreise mit Hilfe von gebräuchlichen Geräten angeordnet werden. Es ist demnach völlig unnötig, diese Vorschritte zur Herstellung des Plättchens vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu modifizieren.
Allgemeiner kann dieses Verfahren auf jedes Substrat angewendet werden, das auf seiner Vorderseite elektronische Bauelemente trägt oder dazu bestimmt ist, solche zu tragen.
Nachstehend werden sieben spezielle Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der Erfindung gegeben.
Beispiel 1:
Ein Plättchen aus monokristallinem Silizium 1 mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Dicke von 725 μm, deren Vorderseite 2 elektronische Bauelemente und/oder Schaltkreise 3 trägt, wird einem ersten mechanischen und/oder chemischen Dünnungsschritt unterzogen. Auf diese Weise wird ein gedünntes Plättchen von 50 μm Dicke erhalten.
Dann wird auf der Rückseite 4' dieses gedünnten Plättchens ein H⁺-Ionenimplantationsschritt mit einer Energie von 1 MeV entsprechend einer Implantationsdosis von 1,8·10¹⁷ H⁺/cm² durchgeführt. Diese Implantation wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Die durchschnittliche Implantationstiefe P beträgt 15 μm.
Daraufhin wird das Plättchen durch Erhitzen auf 400°C einer Wärmebelastung ausgesetzt, was es erlaubt, die Schichtablösung des Rückteils 7 mit einer Dicke von ungefähr 15 μm vorzunehmen.
Die erhaltene Dünnschicht 6 weist eine Dicke von 35 μm auf.
Beispiel 2:
Es wird auf gleiche Weise vorgegangen, wie obenstehend für Beispiel 1 beschrieben wurde, außer dass die Wärmebehandlung bei 350°C ausgeführt wird und das Ablösen des Rückteils 7, der in Form eines kontinuierlichen Monoblockfilms vorliegt, durch Abziehen mit Hilfe eines Klebebandes vorgenommen wird (temporäres Verstärkungsmittel).
Die erhaltene Dünnschicht 6 weist eine Dicke von 35 μm auf.
Beispiel 3:
Die Schritte der vorherigen Dünnung und der Implantation sind identisch mit dem, was für Beispiel 2 beschrieben wurde, ausser dass vor dem ersten Schritt der mechanischen und/oder chemischen Dünnung ein Verstärkungsmittel 9 auf die Vorderseite 2 des Plättchens aufgebracht wird. Dabei ist dieses Verstärkungsmittel 9 eine Siliziumplatte, die durch eine Oxidschicht von 5 μm Dicke gebondet ist und vor dem Bonden planarisiert wird, wobei dieses Bonden durch Direktbonden erfolgt (unter dem angelsächsischen Ausdruck "wafer bonding" bekannt).
Die erhaltene Dünnschicht 6 weist eine Dicke von 35 μm auf.
Beispiel 4:
Dieses Beispiel greift das Beispiel 1 auf, abgesehen davon, dass die Dicke des Plättchens 1 nach der mechanischen und/oder chemischen Dünnung 35 μm beträgt, die Implantation eine Plasmaimplantation ist, die Implantationsenergie 200 keV beträgt, die durchschnittliche Implantationstiefe P 2 μm beträgt, die Implantationsdosis 1·10¹⁷ H⁺/cm² beträgt und die Wärmebehandlung bei 400°C ausgeführt wird.
Danach wird das Bürsten vorgenommen, um den Rückteil 7 abzulösen.
Der erhaltene Vorderteil 6 weist eine Dicke von 33 μm auf.
Dieser Bearbeitungszyklus wird nochmals wiederholt, bis eine Dünnschicht 6 mit einer Enddicke von 31 μm erhalten wird.
Beispiel 5:
Die Schritte der vorherigen Dünnung und der Implantation sind identisch mit dem, was für Beispiel 1 beschrieben wurde, ausser dass die Dicke des Plättchens 1 nach der mechanischen und/oder chemischen Dünnung 35 μm beträgt, die Implantationsenergie 200 keV beträgt, die durchschnittliche Implantationstiefe P 2 μm beträgt und die Implantationsdosis 1·10¹⁷ H⁺/cm² beträgt.
Vor der Implantation wird das Bonden eines temporären Verstärkungsmittels 9, welches aus einer Glasplatte besteht, auf die Vorderseite 2 vorgenommen. Dieses Bonden wird mit Hilfe eines Klebstoffes durchgeführt, der sich unter UV-Licht reversibel verhält.
Der nach Ablösen des Rückteils 7 erhaltene Vorderteil 6 weist eine Dicke von 33 μm auf.
Dieser Bearbeitungszyklus wird zweimal wiederholt, bis nach Entfernung des Verstärkungsmittels 9 eine Dünnschicht 6 mit einer Enddicke von 29 μm erhalten wird, nötigenfalls unter Erneuerung des Verstärkungsmittels 9 auf der Vorderseite 2 zwischen jedem Zyklus.
Beispiel 6:
Die Schritte der vorherigen Dünnung und der Implantation sind identisch mit dem, was für Beispiel 1 beschrieben wurde, ausser dass die Dicke des Plättchens 1 nach der mechanischen und/oder chemischen Dünnung 40 μm beträgt, die Implantationsenergie 750 keV beträgt, die durchschnittliche Implantationstiefe P 10 μm beträgt und die Implantationsdosis 1,3·10¹⁷ H⁺/cm² beträgt.
Darüber hinaus wird vor dem Implantationsschritt das Bonden eines Verstärkungsmittels 9, welches aus einer Glasplatte besteht, auf die Vorderseite 2 vorgenommen. Dieses Bonden wird mit Hilfe eines Klebstoffes durchgeführt, der sich unter UV-Licht reversibel verhält.
Nach der Implantation wird das Bonden eines Verstärkungsmittels 12, welches aus einer Glasplatte besteht, auf die Rückseite vorgenommen. Das Bonden wird mit Hilfe eines Klebstoffes durchgeführt, der sich unter UV-Licht reversibel verhält.
Dann erfolgt das mechanische Abziehen des Rückteils 7 durch Einführen einer Schneide oder eines Hochdruck-Luft- oder Wasserstrahls zwischen die beiden Glasplatten im Bereich des Versprödungsbereichs 5.
Die erhaltene selbsttragende Schicht 6 weist eine Dicke von 30 μm auf.
Beispiel 7:
Ein Plättchen aus monokristallinem Silizium 1 mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Dicke von 725 μm, deren Vorderseite 2 elektronische Bauelemente und/oder Schaltkreise 3 trägt, wird einem ersten mechanischen und/oder chemischen Dünnungsschritt unterzogen. Auf diese Weise wird ein gedünntes Plättchen von 40 μm Dicke erhalten.
Dann wird auf der Rückseite 4' ein H⁺-Ionenimplantationsschritt mit einer Energie von 750 keV entsprechend einer Implantationsdosis von 1,3·10¹⁷ H⁺/cm² durchgeführt. Diese Implantation wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Die durchschnittliche Implantationstiefe P beträgt 10 μm.
Vor dem ersten Schritt der mechanischen und/oder chemischen Dünnung wird ein Verstärkungsmittel 9 auf die Vorderseite 2 des Plättchens aufgebracht. Dieses Verstärkungsmittel 9 ist eine Siliziumplatte, die durch eine Oxidschicht von 5 μm Dicke gebondet ist und vor dem Bonden planarisiert wird, wobei dieses Bonden durch Direktbonden erfolgt (unter dem angelsächsischen Ausdruck "wafer bonding" bekannt). Dieses Verstärkungsmittel wird bis zum Ende des Verfahrens so belassen und wird entfernt, wenn die Schicht 6 mit der gewünschten Dicke erhalten ist.
Daraufhin wird das Plättchen durch Erhitzen auf 400°C einer Wärmebelastung und anschließend einem Bürsten ausgesetzt, was es erlaubt, die Schichtablösung des Rückteils 7 vorzunehmen.
Der erhaltene Vorderteil 6 weist eine Dicke von 30 μm auf und bildet eine selbsttragende Schicht.
In den vorstehend beschriebenen Beispielen besteht das Plättchen 1 aus Silizium.
Es könnte jedoch auch aus einem Material realisiert sein, das aus Germanium, einer Silizium-Germanium-Legierung (Si-Ge), Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Indiumphosphat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid ausgewählt ist. Das Plättchen 1 könnte auch ein Substrat vom Typ SOI (vom Englischen "Silicon On Insulator" abgeleitet) sein.

Claims

Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) aus Halbleitermaterial, das eine erste Seite (2), die sogenannte "Vorderseite", die zumindest ein elektronisches Bauelement und/oder einen elektronischen Schaltkreis (3) trägt – oder dazu bestimmt ist, es/ihn zu tragen, und eine zweite gegenüberliegende Seite (4), die sogenannte "Rückseite", aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a) Atomsorten von dessen Rückseite (4, 4') aus in das Innere des Plättchens (1) zu implantieren, so dass ein Versprödungsbereich (5) erhalten wird, der einen vorderen Bereich (6), der sich von der Vorderseite (2) zu diesem Versprödungsbereich (5) erstreckt, und einen hinteren Bereich (7), der vom Rest des Plättchens (1) gebildet wird, abgrenzt, b) den hinteren Bereich (7) vom vorderen Bereich (6) zu lösen, um das Plättchen (1) abzudünnen, c) die Schritte a) und b) auf der Rückseite (4'') des vorderen Bereichs (6) so lange zu wiederholen, bis dieser die gewünschte Dicke aufweist, um eine selbsttragende Dünnschicht (6) darzustellen.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen (1) vor dem ersten Implantationsschritt a) durch ein an der Rückseite (4) vorgenommenes mechanisches und/oder chemisches Dünnungsverfahren abgedünnt wird.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Implantationsschritt a) zumindest ein elektronisches Bauelement und/oder ein elektronischer Schaltkreis (3) auf der Vorderseite (2) des Plättchens (1) realisiert wird.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ablösens des hinteren Bereichs (7) durch Anwendung einer Wärmebehandlung und/oder äußerer mechanischer Belastungen erfolgt.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ablösens des hinteren Bereichs (7) durch Aufblasen eines Fluidstrahls erfolgt.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ablösens des hinteren Bereichs (7) durch Bürsten (11) erfolgt.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ablösens des hinteren Bereichs (7) durch Auftragen eines Verstärkungsmittels (12) auf die Rückseite (4, 4', 4'') des Plättchens (1) und anschließende Anwendung einer Wärmebehandlung und/oder äußerer mechanischer Belastungen auf dieses Verstärkungsmittel (12) erfolgt.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (12) durch Abscheidung aufgetragen wird.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (12) eine Siliziumoxidschicht ist.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (12) eine feste Platte ist.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Platte (12) aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium oder aus Glas besteht.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (12) eine elastische Folie ist.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (12) eine Klebefolie ist.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (12) eine Wachsschicht ist.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Ablösens des hinteren Bereichs (7) ein Verstärkungsmittel (9) auf der Vorderseite (2) des Plättchens (1) aufgetragen wird und dadurch, dass dieses Verstärkungsmittel (9) nach Erhalt der selbsttragenden Dünnschicht abgelöst wird (6).
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen (1) aus Silizium besteht.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen (1) ein "Silicon-on-Insulator"-Plättchen ist.
Verfahren zur Dünnung eines Plättchens (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen (1) aus einem Material realisiert wird, das gewählt ist aus Germanium, einer Silizium-Germanium-Legierung (Si-Ge), Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Indiumphosphat, Gallium- oder Aluminiumnitrid.