DE69722832T2 - Verfahren zum Transportieren einer dünnen Schicht von einem Anfangssubstrat auf ein Endsubstrat - Google Patents

Verfahren zum Transportieren einer dünnen Schicht von einem Anfangssubstrat auf ein Endsubstrat Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transportieren bzw. Transferieren einer dünnen Schicht von einem Anfangssubstrat auf ein Endsubstrat.
  • Unter einer dünnen Schicht versteht man eine Schicht, deren Dicke in der Größenordnung einiger Mikrometer liegt und deren Durchmesser, oder eine andere Dimension, 100 mm oder mehr erreichen kann.
  • Das Transferieren dünner Schichten findet insbesondere bei der Realisierung mikroelektronischer Vorrichtungen Anwendung.
  • Das Verfahren kann zum Beispiel benutzt werden zum Transferieren von dünnen monokristallinen Halbleiterschichten, die elektronische Schaltungen umfassen, auf eine Glasplatte, zum Beispiel eine Platte eines flachen Bildschirms mit aktiver Matrix.
  • Eine andere Anwendung des Transferierens dünner Schichten kann die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen von integrierten Schaltungen sein.
  • Stand der Technik
  • Eine dünne Schicht im Sinne der vorliegenden Erfindung kann aufgrund ihrer Dimensionen und ihrer extremen Zerbrechlichkeit nur so wie sie ist transferiert werden.
  • Auch muss man, um die Schicht zu transferieren, und insbesondere, um sie auf ein Endsubstrat zu transferieren, sie an einem Transfersubstrat festmachen, dessen Dicke mehrere hundert Mikrometer beträgt.
  • Ein solches Substrat ermöglicht dann, die dünne Schicht zu handhaben. Es spielt in gewisser Hinsicht die Rolle eines "Griffs" und wird daher in der Folge des Textes "Griffsubstrat" genannt.
  • Die 1 bis 5 zeigen ein bekanntes Substrat zum Transferieren einer dünnen Schicht von einem Anfangssubstrat zu einem Endsubstrat ohne Umkehrung der dünnen Schicht.
  • Die 1 zeigt das Anfangssubstrat 10 und die dünne Schicht 12.
  • Die dünne Schicht, in der man zum Beispiel elektronische Schaltungen erzeugt, ist mit dem Substrat 10 durch eine erste Fläche 14 verbunden. Eine zweite Fläche 16 der dünnen Schicht 12, der ersten Fläche 14 entgegengesetzt, ist frei.
  • Ein Griffsubstrat 20 wird auf die zweite Fläche 16 der dünnen Schicht geklebt, um die Struktur der 2 zu erhalten.
  • Die 3 und 4 zeigen nacheinander die Eliminierung des Anfangssubstrats 10 und das Festkleben der ersten Fläche der dünnen Schicht 12 an einer Fläche 30 eines Endsubstrats 32.
  • Das Anfangssubstrat wird zum Beispiel mechanisch abgetragen bzw. abgeschliffen.
  • Ein letzter Schritt des bekannten, in der 5 dargestellten Verfahrens besteht schließlich darin, das Griffsubstrat zu eliminieren.
  • Das Griffsubstrat wird durch mechanische Abtragung oder chemischen Angriff vollständig beseitigt. Es kann auch durch eine Kombination dieser beiden Mittel beseitigt werden. Man erhält die Struktur der 5 mit dem Endsubstrat 32 und der dünnen Schicht 12.
  • Zum Thema dieses Verfahrens und der Eliminierung des Griffsubstrats kann man sich zum Beispiel auf das Dokument (1) beziehen, dessen Referenz am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
  • Das oben beschriebene Verfahren weist jedoch gewisse Einschränkungen auf.
  • Die mechanische Abtragung des Griftsubstrats, dessen Dicke in der Größenordnung von 500 μm oder mehr liegen kann, erfordert nämlich oft eine Behandlung von mehreren Stunden. Bei einer solchen Behandlung können aber leicht die dünne Schicht und/oder die in ihr erzeugten Schaltungen beschädigt werden.
  • Außerdem wird das Griffsubstrat bei seiner Beseitigung vernichtet. Es kann also nicht wiederverwendet werden für eine andere Transferoperation.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Transferieren einer dünnen Schicht ohne Umkehrung vorzuschlagen, mit Hilfe eines Griffsubstrats, bei dem das Griffsubstrat nicht zerstört wird, sondern wiederverwendet werden kann.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verfahren zum Transfereren einer dünnen Schicht vorzuschlagen, bei dem die dünne Schicht bei der Beseitigung des Griffsubstrats keinen großen Beanspruchungen bzw. Belastungen ausgesetzt ist.
  • Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Transfereren einer dünnen Schicht von einem Anfangssubstrat auf ein Endsubstrat wird durch das am Ende der Beschreibung angegebene Dokument (4) dargestellt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Um die erwähnten Aufgaben zu lösen, hat die Erfindung speziell ein Verfahren zum Transferieren einer dünnen Schicht eines Anfangssubstrats auf ein Endsubstrat mit Hilfe eines sogenannten Griffsubstrats zum Gegenstand, wobei die dünne Schicht eine erste Fläche, die fest mit dem Anfangssubstrat verbunden ist, und eine zweite, entgegengesetzte Fläche aufweist. Das Verfahren umfasst die in Anspruch 1 angegebenen sukzessiven Schritte.
  • Die dünne Schicht kann aktive Elemente enthalten. In diesem Fall ist diese Schicht aus Halbleitermaterial und die aktiven Elemente werden vor dem Schritt des Verbindens mit dem Griffsubstrat realisiert.
  • Die Spaltung ermöglicht also, den massiven Teil des Griffsubstrats zu beseitigen. Auf der zweiten Fläche der dünnen Schicht bleibt nur die Oberflächenschicht des Griffsubstrats zurück. Diese Oberflächenschicht, die sehr dünn ist, kann man in bestimmten Fällen auf der dünnen Schicht lassen. Sie kann zum Beispiel die Rolle einer Passivierungsschicht der dünnen Schicht spielen.
  • Es ist auch möglich, die Oberflächenschicht durch Ätzung oder irgendeine andere Technik zu beseitigen.
  • Dank dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die dünne Schicht also keinen großen Beanspruchungen bzw. Belastungen ausgesetzt. Insbesondere ist sie nicht den Belastungen einer mechanischen Abtragung ausgesetzt.
  • Die Verbindung zwischen der dünnen Schicht und dem Griffsubstrat sowie die Verbindung zwischen der dünnen Schicht und dem Endsubstrat können entweder mittels Haftung durch einen Klebstoff hergestellt werden, oder mittels Haftung durch Direktklebung, das heißt ohne Klebstoff. Diese Operationen werden weiter unten in der Beschreibung detaillierter beschrieben.
  • Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann man das Anfangssubstrat beseitigen, indem man dieses Substrat von der dünnen Schicht ablöst oder es vernichtet. Weitere Charakteristika und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, erläuternden und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die 1 bis 5 sind schematische Schnitte von Strukturen, die eine dünne Schicht umfassen und verschiedene Schritte eines bekannten Verfahrens zum Transferieren einer dünnen Schicht von einem Anfangssubstrat auf ein Endsubstrat darstellen,
  • die 6A ist ein schematischer Schnitt eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzten, sogenannten Griffsubstrats,
  • die 6b ist ein schematischer Schnitt einer Struktur mit dem Anfangssubstrat und einer in dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzten dünnen Schicht,
  • die 7 bis 10 sind schematische Schnitte von die dünne Schicht enthaltenden Strukturen und stellen Schritte des Verfahrens der Erfindung dar.
  • Darstellung von Ausführungsarten der Erfindung
  • Elemente der 6A, 6b und 7 bis 10, die gleich oder ähnlich sind wie Elemente der 1 bis 5, tragen in der Folge der Beschreibung identische Bezugzeichen, erhöht um den Wert 100.
  • Wie die 6A zeigt, hat das Griffsubstrat 120, das in dem Verfahren der Erfindung benutzt wird, einen massiven Teil 122 und eine Oberflächenschicht 124. Der massive Teil und die Oberflächenschicht sind durch eine Spaltungszone 126 getrennt.
  • Die Spaltungszone erhält man zum Beispiel durch Implantation – durch eine Fläche 128 des Substrats 120 hindurch – von H+-Wasserstoffionen mit einer Dosis über 3·1016cm2 und einer Energie unter 50 keV. Diese implantierten Ionen bilden in der mittleren Eindringtiefe der Ionen eine Mikrogasblasenschicht, die die Spaltungszone 126 definiert.
  • Wenn das Griffsubstrat 120 aus Silicium ist, mit den für die Implantationsdosis und -energie oben angegebenen Werten, befindet sich die Spaltungszone in einer Tiefe von ungefähr 0,5 μm unter der Oberfläche 128. Dies entspricht also der Dicke der Oberflächenschicht 124.
  • Bezüglich der Realisierung einer Spaltungszone durch Implantation von Ionen eines Edelgases oder von Wasserstoff in einem Substrat kann man sich auf das Dokument (2) beziehen, dessen Referenz am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
  • Die 6B zeigt das Anfangssubstrat 110 und die dünne Schicht. Sie ist der schon beschriebenen 1 ähnlich. Die dünne Schicht weist eine erste, mit dem Substrat verbundene Fläche 114 und eine zweite, freie Fläche 116 auf.
  • Die durch das Substrat und das Anfangssubstrat 110 gebildete Struktur kann eine Struktur des Typs SOI (Silicium on Insulator) sein. Sie umfasst dann eine dünne Siliciumschicht, die eventuelle integrierte Schaltungen enthält und die dünne Schicht bildet, eine Siliciumdioxidschicht, die man auch als Teil der dünnen Schicht betrachten kann, und einen massiven Teil aus Silicium, der das Anfangssubstrat bildet.
  • Die 7 zeigt den Befestigungsschritt des Griffsubstrats 120 an der das Anfangssubstrat 110 und die dünne Schicht 112 umfassenden Struktur.
  • Die Oberflächenschicht 124 des Substrats 120 wird auf die Fläche 116 der dünnen Schicht geklebt.
  • Es kann eine Haftung mittels eines Klebstoffs sein, der hohe Temperaturen aushält.
  • Es kann auch eine Direktklebung sein, das heißt Haftung ohne Klebstoff. In diesem Fall werden die Flächen 116 und 128 mechanisch-chemisch poliert und/oder chemisch gereinigt.
  • Die derart vorbereiteten Flächen werden in Kontakt gebracht und die erhaltene Struktur wird in Stickstoffatmosphäre getempert.
  • Die Temperatur dieses Temperns wird so gewählt, dass man eine gute mechanische Festigkeit des durch das Griffsubstrat und die dünne Schicht gebildeten Ganzen erzielt. Sie muss aber ausreichend niedrig sein, um die in der dünnen Schicht eventuell vorhandenen integrierten Schaltungen nicht zu zerstören. Wenn die dünne Schicht zum Beispiel leitfähige Teile aus Aluminium aufweist, sollte die Temper-Temperatur 450°C nicht überschreiten.
  • Auch muss die Temper-Temperatur so gewählt werden, dass sie nicht zu einer vorzeitigen Spaltung des Griffsubstrats 120 führt. Zum Beispiel wird das Tempern bei einer Temperatur von ungefähr 350°C durchgeführt.
  • Ein nachfolgender Schritt des Verfahrens ist die Beseitigung des Anfangssubstrats. Er ist in der 8 dargestellt.
  • Mehrere erfindungsgemäße Möglichkeiten können bei diesem Schritt vorgesehen werden.
  • Wenn das Festmachen des Griffsubstrats an der dünnen Schicht mit einer Energie durchgeführt wird, die höher ist als die Verbindungsenergie zwischen der dünnen Schicht und dem Anfangssubstrat, kann man das Anfangssubstrat entfernen, indem man es losreißt.
  • Zu diesem Zweck übt man auf das Anfangssubstrat und das Griffsubstrat entgegengesetzte Zugkräfte aus, die fähig sind, das Anfangssubstrat in Höhe der ersten Fläche der dünnen Schicht loszureißen.
  • Nach einer Anwendungsvariante der Erfindung kann man in diesem Anfangssubstrat eine Schicht aus Opfermaterial vorsehen. Diese Schicht ist vorzugsweise auf derjenigen Fläche des Anfangssubstrats vorgesehen, die Kontakt hat mit der ersten Fläche 114 der dünnen Schicht, das heißt an der Grenzfläche zwischen Anfangssubstrat und dünner Schicht.
  • Die Beseitigung dieser Opferschicht auf chemischem Wege ermöglicht, das Anfangssubstrat frei zu machen, so dass es eventuell wiederverwendet werden kann. Zu diesem Thema kann man das Dokument (3) konsultieren, dessen Referenz am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
  • Nach einer anderen Variante kann das Anfangssubstrat auch durch mechanische Abtragung, durch chemischen Angriff oder auch durch eine Kombination dieser beiden Mittel ganz vernichtet werden.
  • Wenn das Anfangssubstrat zum Beispiel vom SOI-Typ ist, wird es mechanisch abgetragen, das heißt, von dem massiven Teil aus Silicium abgeschliffen. Anschließend ermöglicht ein chemischer durch TMAH (Tetramethylamoniumhydroxid), die restliche Siliciumdicke zu beseitigen, die einige zehn μm beträgt. Bei diesem chemischen Angriff dient das Siliciumdioxid der SOI-Struktur als Ätz-Stoppschicht.
  • Die 9 zeigt die Struktur, die man nach dem Befestigen der ersten Fläche 114 der dünnen Schicht an der Oberfläche 134 des Endsubstrats 132 erhält. Das Endsubstrat 132 ist zum Beispiel eine Glasplatte. Ebenso wie beim Befestigen des Griffsubstrats an der dünnen Schicht ist es beim Befestigen an den Endsubstrat möglich, entweder eine Haftung mittels eines Klebstoffs oder eine Direktklebung, das heißt Haftung ohne Klebstoff, durchzuführen.
  • Bei der Direktklebung werden die Flächen 114 und 134 mechanisch-chemisch poliert und/oder chemisch gereinigt und dann in Kontakt miteinander gebracht. Anschließend wird die hergestellte Struktur in Stickstoffatmosphäre getempert.
  • Das Tempern bei einer Temperatur von 350° verbessert die Haftung.
  • Ein nachfolgender Schritt des Verfahrens der Erfindung ist die Beseitigung des Griffsubstrats, die durch Spaltung der Spaltungszone 126 erfolgt (s. 6A).
  • Die Spaltung des Griffsubstrats wird durch eine thermische Behandlung herbeigeführt. Diese thermische Behandlung bewirkt eine kristalline Neuanordnung in dem Griffsubstrat und durch eine Druckwirkung in der Mikrogasblasenschicht eine Abtrennung des massiven Teils der Oberflächenschicht. So erhält man die in der 10 dargestellte Struktur, wo nur die Oberflächenschicht 124 des Griffsubstrats auf der Fläche 116 der dünnen Schicht zurückbleibt.
  • Die thermische Behandlung kann gemeinsam mit dem Tempern erfolgen, das dem Festkleben der dünnen Schicht auf dem Endsubstrat entspricht.
  • Die Bedingungen der thermischen Behandlung und/oder des Klebungs-Temperns, das heißt ihre Temperatur und ihre Dauer, werden so gewählt, dass die Spaltung bewirkt und eine gute mechanische Befestigung der dünnen Schicht auf dem Endsubstrat erzielt wird.
  • Die thermische Behandlung kann 30 Minuten lang mit 450°C erfolgen.
  • Die Spaltung kann durch einen Ätzschritt vervollständigt werden, der dazu dient, die restliche Oberflächenschicht 124 auf der dünnen Schicht zu beseitigen. Sie kann zum Beispiel durch einen chemischen Angriff TMAH-Typs beseitigt werden.
  • Die Schicht 124 kann in bestimmten Fällen auch als eine Passivierungsschicht der dünnen Schicht erhalten bleiben.
  • In der vorliegenden Beschreibung genannte Dokumente
    • 1) "Evaluation of cubic (cumulatively bonded IC) devices" von Y. HAYASHI, 9th Symposium on future electron devices, 14.–15. November 1990, Seiten 267–272
    • 2) FR-A-2 681 472
    • 3) FR-A-2 715 503
    • 4) US-A-5 362 682

Claims (14)

  1. Verfahren zum Transportieren einer dünnen Schicht (112) von einem Anfangssubstrat (110) auf ein Endsubstrat (132) mittels eines Griff-Substrat genannten Substrats (120), wobei die dünne Schicht eine erste Fläche (114), fest verbunden mit dem Anfangssubstrat (110), und eine zweite, entgegengesetzte, freie Fläche (116) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Herstellen einer Verbindung der freien Fläche (116) der dünnen Schicht mit einer Oberflächenschicht (124) des Griff-Substrats (120), wobei die Oberflächenschicht (124) des Griffsubstrats durch eine Spaltungszone (126), gebildet durch eine Mikrogasblasen-Schicht; mit einem massiven Teil (122) des Griffsubstrats (120) verbunden ist, – Eliminieren des Anfangssubstrats (110), – Herstellen der Verbindung zwischen der ersten Fläche (114) der dünnen Schicht (112) und einer Fläche (134) des Endsubstrats (132), – Spalten des Griff-Substrats (120) entsprechend der Mikrogasblasen-Schicht (126).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrogasblasenschicht in dem Griff-Substrat durch eine Edelgas- oder Wssserstoff-Implantation erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man außerdem die Oberflächenschicht (124) des Griff-Substrats, die nach der Spaltung in Kontakt bleibt mit der zweiten Fläche (116) der dünnen Schicht (112), eliminiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Anfangssubstrat (110) durch wenigstens ein Mittel eliminiert, ausgewählt zwischen mechanischem Abschleifen und chemischem Angriff.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Anfangssubstrat (110) aus Silicium verwendet, mit der dünnen Schicht (112) durch eine Siliciumdioxidschicht verbunden, und dadurch, dass man das Anfangssubstrat (110) sukzessive eliminiert durch: – ein mechanisches Abschleifen, und – einen chemischen Angriff mit Stopp auf der Siliciumdioxidschicht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Anfangssubstrat (110) eliminiert, indem man es von der dünnen Schicht (112) von deren ersten Fläche (114) ablöst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Anfangssubstrat (110) ablöst, indem man auf das Anfangssubstrat (110) und das Griff-Substrat (120) ausreichend große entgegengesetzte Zugkräfte ausübt, um das Anfangssubstrat von der ersten Fläche (114) der dünnen Schicht (112) wegzureißen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Anfangssubstrat (110) ablöst durch Eliminieren einer Oberflächenopferschicht des Anfangssubstrats, in Kontakt mit der ersten Fläche der dünnen Schicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Verbindung zwischen der dünnen Schicht (112) und dem Griff-Substrat (120) umfasst: – mechanisch-chemisches Polieren und/oder chemisches Reinigen der zweiten Fläche (116) der dünnen Schicht (112), – mechanisch-chemisches Polieren und/oder chemisches Reinigen einer Fläche (128) der Oberflächenschicht (124) des Griff-Substrats (120), – Herstellen des Kontakts zwischen der zweiten Fläche (116) der dünnen Schicht (112) und der Fläche (128) der Oberflächenschicht (124) des Griff-Substrats, – Tempern der so erhaltenen Struktur mit einer solchen Temperatur, dass das Tempern keine vorzeitige Spaltung des Griff-Substrats verursacht.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Verbindung zwischen der dünnen Schicht (112) und dem Endsubstrat (132) umfasst: – mechanisch-chemisches Polieren und/oder chemisches Reinigen der ersten Fläche (114) der dünnen Schicht (112) und der genannten Fläche (134) des Endsubstrats (132), – Herstellen des Kontakts zwischen den genannten Flächen (114, 134), – Tempern der so erhaltenen Struktur.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern bei einer Temperatur in der Größenordnung von 350° erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Verbindungsherstellungen zwischen der dünnen Schicht (112) und dem Griff-Substrat (120) und der dünnen Schicht (112) und dem Endsubstrat (132) eine Adhäsionsklebung ist, bei der ein Klebstoff verwendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltung eine thermische Behandlung oder Wärmebehandlung umfasst, um eine Trennung des massiven Teils (122) und der Oberflächenschicht (124) von dem Griff-Substrat (120) entsprechend der Mikroblasenschicht zu bewirken, die die Spaltungszone (126) bildet.
  14. Verfahren nach Anspruch 10 und Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern des Schritts der Verbindungsherstellung zwischen der dünnen Schicht (112) und dem Endsubstrat (132) die genannte Spaltungs-Wärmebehandlung umfasst.
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