EP3298181A1 - Verfahren zur aufbringung einer überwuchsschicht auf eine keimschicht - Google Patents

Verfahren zur aufbringung einer überwuchsschicht auf eine keimschicht

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EP3298181A1
EP3298181A1 EP15724285.0A EP15724285A EP3298181A1 EP 3298181 A1 EP3298181 A1 EP 3298181A1 EP 15724285 A EP15724285 A EP 15724285A EP 3298181 A1 EP3298181 A1 EP 3298181A1
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EP
European Patent Office
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layer
mask
seed layer
overgrowth
seed
Prior art date
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Ceased
Application number
EP15724285.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Kreindl
Harald ZAGLMAYR
Martin EIBELHUBER
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EV Group E Thallner GmbH
Original Assignee
EV Group E Thallner GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by EV Group E Thallner GmbH filed Critical EV Group E Thallner GmbH
Publication of EP3298181A1 publication Critical patent/EP3298181A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/04—Pattern deposit, e.g. by using masks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/04—Pattern deposit, e.g. by using masks
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    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
    • H01L21/02642—Mask materials other than SiO2 or SiN
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    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02647—Lateral overgrowth

Definitions

  • the invention relates to a method for applying a
  • Semiconductor devices are fabricated directly on single crystal substrates that are extremely high in purity and relatively low in size
  • Such semiconductor substrates are processed by special processes, in particular the Czochralski process,
  • Such methods usually produce a very large single crystal, which is sawn or cut in further process steps to the individual substrates.
  • Masks are mostly produced by photolithographic processes with several process steps. In a first process step, a photoresist must be applied. Thereafter, the photoresist is exposed, developed and etched. In many cases, no simple, based on polymer-based, photoresists can be used because the masks must consist of a hard material layer. Accordingly,
  • the object of the present invention is therefore to specify a more efficient method for applying a UV growth layer to a seed layer.
  • baskspruchbar any combination can be baskspruchbar.
  • the invention is based on the idea of a method for
  • the invention relates to a, in particular independent, aspect of a method for producing masks, in particular
  • Hard masks using an imprint technique.
  • the masks are used to make lateral growth structures.
  • Nanodots and / or nanowires and / or other nanostructures are disclosed.
  • a core of the invention consists in particular in the application of an imprint technique and the use of suitable embossing materials as mask material, which are structured with the aid of imprint technology and which are further processed, in particular by a process step
  • Heat treatment can be converted into an oxide.
  • the embossing composition (mask material) is applied to the germ layer, in particular in liquid form, and then by a Imprintrea structured and converted in a further process step in particular in a hard material layer.
  • the invention describes a method with which a mask for producing a semiconductor component can be produced by means of imprint lithography.
  • the mask thus serves to produce a lateral growth structure.
  • the overgrowth structure is preferably a monocrystalline and / or epitaxial layer of a
  • Coating material which grows on a seed layer surface and continues it monocrystalline and / or epitaxially.
  • a monocrystalline layer is understood as meaning, in particular, a layer in which the upper has no grain boundaries.
  • an epitaxial layer is understood as meaning, in particular, a layer which has at least one crystal orientation which coincides with the crystal orientation of the surface on which it grows up (seed layer).
  • monocrystalline and / or epitaxial layer begins to grow is referred to as a seed layer or seed layer surface.
  • the substrates are preferably wafers.
  • the wafers are standardized substrates with well-defined, standardized diameters.
  • the substrates may generally have any shape.
  • the diameters of the substrates can generally be any however, they may preferably be of any of the standard diameters of 1 in., 2 in., 3 in., 4 in., 5 in., 6 in., 8 in., 12 in. and 18 in., and 125, 150, 200, 300 or 470 mm ,
  • Embodiments however, predominantly on wafers.
  • Embossing stamps are used.
  • the stamp can be a hard stamp, a soft stamp or a foil stamp.
  • a hard punch is understood to mean a punch which has been produced from a material with a high modulus of elasticity (modulus of elasticity).
  • modulus of elasticity of the Hartstempeis lies in particular between 1 GPa and
  • 1000 GPa preferably between 10 GPa and 1000 GPa, more preferably between 25 GPa and 1000 GPa, most preferably between 50 GPa and 1000 GPa, most preferably between 100 GPa and
  • the modulus of elasticity of some steel grades is around 200 GPa.
  • Preferred materials for hard punches are:
  • o pure metals in particular Ni, Cu, Co, Fe, Al and / or W,
  • Ceramics especially glasses, preferably
  • Non-metallic glasses in particular ⁇ Organic non-metallic glasses or
  • Halide glasses or chalcogenide glasses or
  • Oxide glasses in particular phosphatic glasses or silicate glasses, in particular aluminosilicate glasses or lead silicate glasses or alkali silicate glasses, preferably alkali earth alkaline silicate glasses, or borosilicate glasses or borate glasses, preferably alkali borate glasses, or
  • a soft material is a stamp made of a material with a low modulus of elasticity.
  • the modulus of elasticity is in particular between 1 GPa and 1000 GPa, preferably between 1 GPa and 500 GPa, more preferably between 1 GPa and 100 GPa, most preferably between 1 GPa and 10 GPa, most preferably between 1 GPa and 5 GPa ,
  • the modulus of elasticity of polyamides is between 3 GPa and 6 GPa.
  • Preferred materials for soft stamps are:
  • a film stamp is understood to mean a stamp which consists of a film which is pressed into the embossing composition (mask material) by a further application device, in particular a roller.
  • a film stamp is in the document WO2014 / 037044A1 discloses what is referred to.
  • the film stamp can also be regarded as a soft stamp. Due to its lower bending resistance, in particular due to a small thickness of the film, the film stamp can be considered as a separate Stkov or as an advantageous embodiment of a Weichstempcls.
  • the seed layer is either a layer applied to a substrate or the substrate represents the seed layer itself.
  • the seed layer is preferably monocrystalline and / or epitaxial.
  • the Kcim harshobcrflambac has in particular a very small
  • Roughness is reported as either average roughness, square roughness or average roughness. The values determined for the average roughness, the square roughness and the average roughness depth differ in particular for the same measuring section or measuring curses, but are preferably the same
  • the following roughness numerical value ranges are to be understood as either average roughness, squared roughness, or average roughness. Since the seed layer surfaces are preferably around
  • the classic notion of roughness may not apply here.
  • the specified roughness values is in particular the height difference between the lowest, at least at one point exposed and the uppermost crystallographic level of
  • the roughness of the seed layer surface is in particular less than 1 ⁇ m, preferably less than 100 nm, more preferably less than 10 nm, most preferably less than 1 nm, most preferably less than 0.1 nm.
  • the preferred crystallographic orientations of the seed layer are ⁇ 100 ⁇ and ⁇ I 1 1 ⁇ orientation.
  • Other conceivable and preferred crystallographic orientations are ⁇ 1 10 ⁇ , ⁇ 21 1 ⁇ , ⁇ 221 ⁇ , and ⁇ 31 1 ⁇ orientations.
  • Preferred seed layer materials are:
  • Particularly preferred seed layer materials according to the invention are: Si, sapphire.
  • embossing material / mask material for the formation of the mask can basically serve any kind of material that • can be deposited on a surface, especially wet-chemical, and / or
  • nanoimprint lithography is structurable, in particular, permits a correspondingly high resolution of the structures, in particular micro and / or nanostructures, and / or is etchable in the case of an existing residual layer and / or
  • the coating temperatures of the coating material endure without decomposing and / or deforming and / or overreacting with the coating material, and / or
  • silsesquioxanes SSQ
  • PES polyhedral oligomeric silsesquioxanes
  • the invention is further based on, in particular independent, idea to produce a Regemasse from a special mixture.
  • the mixture consists of at least one main component and
  • the main component is preferably a silsesquioxane.
  • the following materials would also be conceivable according to the invention:
  • TEOS Tetraethyl orthosilicate
  • PFPE Perfluoropolyether
  • the minor components may consist of any organic and / or inorganic compound.
  • These secondary components can an arbitrarily complicated "organic with preference to have structure. Accordingly, links may be composed of a combination of the elements of the following list.
  • all of the chemical compounds in the list can exist as a monomer or polymer.
  • At least one of the secondary components is preferably an organic, in particular one of the following compounds: at
  • the minor component can belong to the same functional group as the organic, functional groups of the main component.
  • the secondary component may already have been bonded to the main component by a chemical reaction, in particular by an addition and / or condensation and / or substitution reaction.
  • Solvents are always used to dissolve the main component, the initiators and the organic component according to the invention, with the aid of which the adjustment and / or influencing of the hydrophilicity or hydrophobicity takes place.
  • the solvents are preferably removed from the embossing composition according to the invention or escape by themselves. Preference is given to using one of the following solvents:
  • the main components and the minor components are combined with initiators which initiate the chain reaction in one
  • the main component By mixing the main component with the minor component and the initiator, activation of the initiator leads to polymerization, especially or at least predominantly between organic parts of the main components. It may be that the minor components partially participate in the polymerization. In particular, only the main components polymerize with each other. In the polymerization arise long-chain molecules and / or entire 2D and / or 3D networks, preferably with a specially adjustable number of monomers. The number of monomers is greater than 1, more preferably greater than 10, more preferably greater than 100, most preferably greater than 1000, most preferably polymerizing the monomers into a complete 2D and / or 3D network.
  • PrSmaterial and mask material are used as synonyms.
  • Coating material also upper layer material
  • the coating material is in particular to
  • the coating material is preferably identical to the seed layer material, so that the seed layer passes through the process according to the invention, preferably seamlessly, by overgrowth of the mask openings into the overgrowth layer to be produced.
  • seed layer material and coating material can also be different.
  • Suitable coating materials and / or seed layer materials are, in particular, the following materials:
  • Materials preferred according to the invention are: Si, GaAs, GaN, InP, InxGa (j -X) N, InSb, InAs.
  • the Kcim harshober Design may either be the surface of a deposited on the substrate seed layer or, in particular consisting of the substrate material, substrate surface itself serves as Kcim harshober Design.
  • the seed layer surface serves in the application of the
  • Overgrowth layer in particular as nucleation point for the to be produced, in particular monocrystalline and / or epitaxial,
  • the seed layer consists of the same materal valley as the coating material from which the overgrowth layer is produced.
  • the invention also conceivable is the
  • the seed layer ensures the nucleation of the overgrowth layer and according to the invention provides access to the seed layer surface, in particular in areas to which the overgrowth layer is intended to grow.
  • the seed layer can thus be applied only at defined locations on a substrate surface, that is to say it is not over the entire surface.
  • the deposition of the mask material onto the cement layer surface takes place.
  • the application can be made by the following methods: Physical precipitation methods, in particular PVD, and / or
  • Chemical deposition processes in particular CVD, preferably PE-CVD, and / or
  • the positioning of a prism stamp over the deposited mask material takes place.
  • alignment of the embossing stamp relative to the substrate and / or the seed layer surface is performed.
  • the structuring of the mask material takes place.
  • the structuring is carried out according to the invention preferably by a
  • Imprint lithography method most preferably by a
  • Nanoimprintlithographiemethode The aim of the Imprintlithogaphiemethode is the structuring of the mask material.
  • the mask material should be structured so that in a minimum number of
  • Structuring steps a layer with a defined number of mask passages / mask openings per unit area, arises.
  • the number of structuring steps c is in particular less than 10, preferably less than 5, more preferably less than 3, on
  • Mask passages / mask openings is in particular greater than 1 per m 2 , preferably greater than 10 3 per m 2 , more preferably greater than 10 7 per m 2 , most preferably greater than 10 "per m 2 , on
  • the raised ones displace
  • Structures of the embossing stamp the mask material up to the stop of the structures on the germ layer surface. This prevents the formation of a residual layer and directly marks the desired mask structure.
  • a subsequent etching step for exposing the areas of the seed layer surface to be coated with the over-growth layer material can then be dispensed with.
  • the mask material When cured, the mask material is thermally cured.
  • the thermal curing is carried out by heat.
  • the temperature at the mask material is more than 50 ° C, preferably more than 100 ° C, more preferably more than 250 ° C, even more preferably more than 500 ° C, even more preferably more than 750 ° C.
  • a preferred temperature is between 500 ° C to 600 ° C.
  • An even more preferred temperature in this case is between 50 ° C and 200 ° C.
  • the heat can be introduced via the substrate and / or the stamp. If the heat is introduced via the stamp, the stamp should have the highest possible thermal
  • the curing takes place by electromagnetic radiation.
  • the substrate and / or the stamp are at least partially, preferably predominantly, transparent for the respective wavelength range.
  • the stamp has the above transparency, so that any substrates can be used.
  • the curing is carried out by ultraviolet light (UV light, preferably)
  • the electromagnetic radiation has in particular a wavelength in the range zwi1e0nnm and 2000nm, preferably between l 0nm and 1500nm, more preferably zwisch1e0nnm and 1000nm, most preferably between 10nm and 500nm, most of all between 10nm and 400nm.
  • Curing is usually associated with the production of gases. These gases are preferably expelled before a top wax of the mask to avoid blistering.
  • the curing of the mask takes place in the coating chamber, in particular simultaneously with the coating. This will make it possible to get an extra
  • the coating chamber is preferably carried out when
  • the temperature which allows a complete outgassing of the mask is and / or
  • the mask will be in a separate separate layer before coating
  • Heat treatment step cured.
  • the following parameter sets apply to the embossing punch, regardless of the type of curing.
  • the thermal conductivity of the embossing die should be as high as possible to ensure the fastest possible heat transfer.
  • the thermal conductivity lies in particular between 0. 1 W / (m * K) and 5000 W / (m * K), preferably between 1 W / (m * K) and 5000 W / (m * K), more preferably between 100 W / (m * K) and 5000 W / (m), on
  • the kapiztician the stamping die is as small as possible to prevent storage of heat.
  • the heat capacity at constant volume differs only marginally from that at moderate temperatures and pressures
  • Patent specification is therefore not distinguished between the two heat capacities. Furthermore, specific heat capacities are specified.
  • the specific heat capacity of the embossing stamp is in particular less than, preferably less than 10
  • the thermal expansion coefficient of the stamp should be as small as possible in order to minimize distortion of the stamp by the high temperature differences.
  • Expansion coefficient is in particular smaller than
  • the demolding of the stamping die is preferably carried out without a
  • the etching of the residual layer takes place, if such a residual layer is present.
  • this residual layer is formed as thin as possible. The thinner the residual layer, the faster the etching process can be carried out.
  • the residual layer thickness is in particular less than 1 ⁇ m, preferably less than 100 nm, more preferably less than 10 nm, most preferably less than 1 nm
  • one or more of the etching chemicals are suitable
  • Inorganic acids in particular HF, HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 and / or H 3 PO 4 ,
  • Process step takes place the coating of the accessible areas of the seed layer surface.
  • the coating is carried out in particular by Deposition of components (overgrowth layer material), in particular atoms, on the seed layer surfaces accessible through the mask openings.
  • components are deposited on the mask surface. Therefore, components with extremely high mobility are chosen. These diffuse from the mask surface into the mask openings and are then preferably deposited on the seed layer surface, so that a continuous filling of the mask openings at the in the
  • Mask openings into and preferably upwardly growing seed layer takes place while the mask surfaces largely, preferably completely, remain free of the coating material.
  • the coating process preferably takes place at high temperatures.
  • the coating temperature is greater than 50 ° C, preferably greater than 200 ° C, more preferably greater than 500 ° C, even more preferably greater than 1000 ° C, even more preferably greater than 1500 ° C.
  • the growth of the overgrowth layer takes place in particular in
  • the growth processes preferably take place according to one of the layer growth types listed below:
  • Seed layer surface of the seed layer which is the first nucleus plane represents.
  • outgassing of the mask material due to the extremely high coating temperatures, in particular parallel to the layer growth, outgassing of the mask material.
  • the outgassing should be completed before layer growth, otherwise the quality of the layer suffers.
  • the outgassing is particularly due to the escape of inorganic and / or organic components, especially in SSQ materials. Due to the outgassing and combustion of the organic components, in particular in the SSQ material, this is continuously converted into a hard material, in particular a pure silicon dioxide material. This
  • Embodiment however, take place coating and outgassing simultaneously, since the coating takes place anyway at high temperatures and the merger accelerates the process and less energy is consumed.
  • the upper growth layer grows within the mask opening in the direction of the mask surface.
  • this growth is such that a decrease in the defect density, in particular the
  • Seed layer surface is detectable.
  • the dislocation density is, in particular, less than 10 17 cm -2 , preferably less than 1 0 1 S cm -2 , more preferably less than 1 0 13 cm -2 , even more preferably less than 10 "cm " 2 , more preferably less than 1 0 9 cm -2 , most preferably less than 10 7 cm "2
  • the outgassing or combustion of the organic components of the mask material proceeds
  • Outgassing or combustion is preferably before the growth of the Overgrowth layer to the mask surface completed to minimize entrapment of gases in the upper stalk layer or prevent as completely as possible.
  • the seed layer reaches the mask surface and begins with the lateral expansion and the formation of the remaining
  • Overgrowth layer that extends beyond the mask surface, and in particular a closed, unmasked area of the
  • the defect density in particular the dislocation density, reaches a minimum from this point in time.
  • the offset density is in particular less than 10 "cm '3 ,
  • the overgrowth layer is allowed to grow to the desired height (by further application of
  • Overgrowth layer material to produce the desired end product according to the invention with a defined thickness or a
  • End product is composed at least of a mask
  • the newly created surface of the overgrowth layer in particular after a successful processing, be bonded to an (optionally further) carrier substrate.
  • the first carrier substrate can be removed.
  • the back ie the side of the seed layer
  • the complete removal of the mask occurs only when the structures grown between them are not used as a nanodot and / or nanowire structure. In this particular case, one would have one, especially lacking in
  • Layer transfer process have transferred to the surface of a second substrate.
  • FIG. 1a is a not to scale, schematic
  • FIG. 1b shows a schematic, not to scale
  • FIG. 1 c shows a schematic, not to scale
  • FIG. 1 d Cross-sectional view of a third process step of the embodiment according to FIG. FIG. 1 d is a schematic, not to scale, FIG.
  • FIG. 1 e shows a not to scale, schematic
  • FIG. 1f shows a schematic, not to scale
  • FIG. 1 g shows a not to scale, schematic
  • FIG. 1 h shows a schematic, not to scale
  • FIG. 11 shows a schematic, not to scale
  • FIG. 2 shows a not to scale, schematic
  • FIG. 1 a shows a cross-sectional illustration of a substrate 1 with a substrate surface 10 on which the seed layer 2 is / was deposited in a first process step with a seed layer surface 2o.
  • Substrate 1 itself be the seed layer 2.
  • the germ layer 2 is
  • the deposition process can influence the crystal orientation of the seed layer 2.
  • Preference is given to a (100) and / or a (1 1 1) crystal orientation.
  • a (hkl) orientation is to be understood as a crystal orientation in which the hkl planes parallel to the surface 10 of the
  • Substrate 1 lie.
  • the hkl indices are the Miller indices.
  • FIG. 1b shows a second process step, in which a
  • Mask material 3 is deposited on the surface of the seed layer 2.
  • the deposition can be carried out by any known deposition method respectively. Since the mask material 3 is preferably deposited liquid, in particular as a sol-gel, the mask material 3 is the
  • Oer embossing punch 4 can be oriented and aligned in particular relative to the substrate 1 and / or relative to the seed layer 2. Alignment is preferably by means of alignment marks (not shown), if they are present. For unstructured substrates, however, it is preferable to use a purely mechanical one
  • Mask material 3 is structured by the embossing punch 4 such that
  • Mask passages 1 1, preferably to the seed layer 2 reaching mask openings are formed.
  • Mask passages 1 1 is in particular less than 10 mm, preferably less than 1 mm, more preferably less than 100 ⁇ , on
  • the depth t of the mask passages 11 is in particular less than 100 ⁇ , preferably less than 1 ⁇ , more preferably less than 1 ⁇ , most preferably less than 100 nm, most preferably less than 10 nm
  • the ratio between the diameter d and the depth t is greater than 1, preferably greater than 10, more preferably greater than 100, most preferably greater than 200, most preferably greater than 300.
  • the mask opening therefore preferably has a diameter d which is greater than or equal to the depth t.
  • FIG. 1 e a hardening of the mask material 3 is shown.
  • the curing can be thermally and / or chemically and / or
  • Curing preferably takes place electromagnetically, more preferably by means of UV light.
  • the advantage of curing by means of electromagnetic radiation is the vanishingly small or practically negligible extent of the mask material 3, while a thermal
  • Curing can cause a non-negligible thermal expansion, which damage the structures and / or
  • FIG. 1 f represents a demolding step. After demolding, the mask 6 remains on the seed layer 2. Should the
  • Embossing stamp 4 does not reach the germ layer 2, so one
  • Residue 12 be present, an additional etching step (see Figure l g) is performed. As a result of this etching step, the residual layer 12 is removed, in particular in the region of the mask passages 11, in order to expose the seed layer 2 in the region of the mask passages 11.
  • the generation of the residual layer 12 is avoided in the embossing step by the embossing punch 4 to the seed layer 4th
  • the coating gets a coating material! 8m, that
  • the coating material 8m crystallizes out on the seed layer surface 2o.
  • Coating temperatures are not sufficient to expel the gases 13 from the mask material 3. In such a case, that will
  • Mask material 3 thermally treated before the overgrowth according to the invention until all the gases 13 are expelled from the mask material 3.
  • FIG. 11 shows a magnification of a not to scale
  • Area A ( Figure l h) one of the mask passages 1 1 at a first time t l.
  • the mask passage 1 1 has the feature size d. In the case of a radially symmetrical mask passage 1 1 d would be the
  • the coating material 8m is limited by the structure size d in terms of its nucleation on a part of the Kcim Anlagenobcr design 2o.
  • the material deposition of the coating material 8m is preferably carried out epitaxially. That means that
  • Coating material 8m maintains the crystallographic orientation (hkl) of the seed material surface 2o during its growth. At this time, the growth of the coating material 8m starts in a nucleus plane K1 which coincides with the nucleus surface 2o of the seed layer 2.
  • Figure lj shows a non-scale enlargement of the area A of a mask passage 1 1 at a second time t2. At this time, the coating material 8m has already grown to a height h1. A new (higher) germ layer K.2 has emerged at a distance from the original germ surface 2o.
  • a characteristic feature is that the error density, in particular the
  • Dislocation density of dislocations 10 decreases with increasing distance to the original germ surface 2o.
  • the upward-growing, in particular monocrystalline and / or epitaxial, layer becomes increasingly perfect as the distance from the original seed surface 2o increases.
  • FIG. 1 k shows the state of an overgrowth of the overgrowth layer 14 via the mask 6 at a third point in time t 3 at which a
  • Node level K3 is above the mask surface 6o.
  • Coating material 8m has distributed over all mask openings 1 1, in particular evenly.
  • the defect density, in particular the dislocation density of the dislocations 10, reaches a minimum and is preferably negligibly small.
  • the process according to the invention thus produced a full-area, monocrystalline, in particular epitaxial and defect-free, layer 14.
  • FIG. 11 shows an end product 15 according to the invention, consisting of a substrate 1 and a new, in particular monocrystalline and / or epitaxial, preferably on an upper side 14o defect-free over-growth layer 14.
  • the end product I S can be used as a starting point for further processing.
  • Upper growth layer 14 can be distinguished from one another in particular by the defect density or dislocation density.
  • the overgrowth layer 14 has the mask 6 preferably fully, preferably completely enclosed. With the process according to the invention, it is possible not only to produce a predominantly defect-free, monocrystalline and / or epitaxial layer that extends beyond the mask 6, but also a layer with enclosed structures, in particular dots. If the order of magnitude of these structures is in the nanometer range, this is called nanodots.
  • Nanostructures are necessary to produce semiconductor devices with very specific, in particular based on quantum mechanical effects, properties.
  • the nanodots are therefore the dots of the monocrystalline and / or epitaxial layer surrounded by the mask embossed according to the invention.
  • Nanowires are a special case. Under appropriate conditions, these can be formed by a further growth of the monocrystalline and / or epitaxial layer from the aperture into the air. Therefore, the monocrystalline and / or epitaxial layer does not laterally unite to form a layer upon reaching the mask surface, but continues its growth unhindered normal to the mask surface.
  • the side with the less perfect seed layer 2 is preferably removed.
  • a processing of the upper growth layer 14 is conceivable, followed by a subsequent bonding step of a second substrate 1 'on the upper growth layer surface 14o according to FIG. After the bonding step has taken place, it is conceivable to remove the first substrate 1, followed by an etching and / or polishing and / or regrinding process by means of a grinding device 16 at least of parts of the seed layer 2 and / or parts of the overgrowth layer 14. It can
  • the complete mask 6 are removed.
  • the removal of the substrate 1 is facilitated mainly by the
  • Seed layer 2 has a low adhesion to the substrate 1.
  • FIG. 2 shows a further side view, not to scale, of an embodiment of an end product according to the invention, consisting of several nanowires 1 7 growing out of the mask passages 11.
  • the nanowires 17 do not unite laterally to form an upper growth layer, but instead grow, in particular exclusively, upwards.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer maskierten Überwuchsschicht (14) auf eine Keimschicht (2) zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (6) zur Maskierung der Überwuchsschicht (14) auf die Keimschicht (2) geprägt wird.

Description

Verfahren zur Aufbringung einer Überwuchsschicht auf eine Keimschicht
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer
Oberwuchsschicht auf eine Keimschicht gemäß Anspruch 1 .
In der Halbleiterindustrie ist die Erzeugung hochreiner, aber vor allem auch defektfreicr Schichten von großer Bedeutung für die Herstellung von Haibleitcrbauelementen. Defekte, insbesondere Kristalldefekte, haben einen entscheidenden Einfluss auf die Funktionalität und
Langlebigkeit von Halbleiterbauelementen. Sehr viele
Halbleiterbauelemente werden direkt auf einkristallinen Substraten gefertigt, die eine extreme hohe Reinheit und relativ geringe
Defektdichte besitzen. Derartige Halbleitersubstrate werden mit speziellen Prozessen, insbesondere dem Czochralski-Verfahren,
hergestellt. Derartige Verfahren erzeugen meistens einen sehr großen Einkristall, der in weiteren Prozessschritten zu den einzelnen Substraten zersägt oder zerschnitten wird.
Sehr oft ist es notwendig, weitere einkristalline Schichten mit
entsprechend geringer Defektstruktur direkt auf bereits vorhandenen Oberflächen zu erzeugen. Diese einkristallinen Schichten können durch unterschiedliche Prozesse erzeugt werden. Um hochreine und vor allem defektfreie Schichten zu erzeugen, bedient man sich sehr oft der lateralen Oberwuchsmethode (engl.: lateral overgrowth method). Um relativ defektfreie, einkristalline Schichten zu erhalten, wird in einem ersten Prozessschritt auf einer Keimschichtoberfläche eine Maske erzeugt. Die Maske bedeckt den größten Teil der Keimschichtoberfläche. An wohldefinierten Stellen besitzt die Maske Maskenöffnungen Ober die Teile der Oberfleche exponiert werden. Die Maske wird im Stand der Technik vorwiegend mit photolithographischen Methoden hergestellt.
Masken werden meist durch photolithographische Prozesse mit mehreren Prozessschritten hergestellt. In einem ersten Prozessschritt muss ein Fotolack aufgetragen werden. Danach wird der Fotolack belichtet, entwickelt und geätzt. In sehr vielen Fällen können keine einfachen, auf Polymerbasis bestehenden, Fotolacke verwendet werden, da die Masken aus einer Hartstoffschicht bestehen müssen. Dementsprechend
schwieriger, komplizierter und teurer werden die Materialabscheidung und vor allem die Ätzvorgänge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein effizienteres Verfahren zur Aufbringung einer ÜbcTwuchsschicht auf eine Keimschicht anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den
Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wcrtebcrcichen sollen auch innerhalb der genannten
Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in
beliebiger Kombination bcanspruchbar sein. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Verfahren zur
Aufbringung einer maskierten Überwuchsschicht auf eine Keimschicht zur Herstellung von Halbleiterbauelementen derart weiterzubilden, dass eine Maske zur Maskierung der Oberwuchsschicht auf die Keimschicht geprägt wird.
Die Erfindung betrifft gemäß einem, insbesondere eigenständigen, Aspekt eine Methode zur Erzeugung von Masken, insbesondere
Hartmasken, mit Hilfe einer Imprinttechnoiogie. Die Masken werden zur Herstellung lateraler Oberwuchsstrukturen verwendet.
Erfindungsgemäß können, insbesondere von der erfindungsgemäß geprägten Maske geformte, epitaktische und/oder monokristalline
Nanopunkte (engl.: nano dots) und/oder Nanodrähte (engl.: nano wires) und/oder andere Nanostrukturen hergestellt werden.
Ein Kern der Erfindung besteht insbesondere in der Anwendung einer Imprinttechnoiogie und der Verwendung geeigneter Prägematerialien als Maskenmaterial, die mit Hilfe der Imprinttechnoiogie strukturiert werden und die durch weitere Prozessschritte, insbesondere einer
Wärmebehandlung, in ein Oxid umgewandelt werden können.
Die Verwendung von Imprinttechnologien macht die meisten
Prozessschritte eines typischen Photolithographieprozesses Uberflüssig, wodurch ein erheblicher Zeitgewinn und damit eine effizientere
Herstellung der Halbleiterbauelemente ermöglicht werden.
Die Prägemasse (Maskenmaterial) wird, insbesondere in flüssiger Form, auf die Keimschicht aufgebracht und anschließend durch einen Imprintprozess strukturiert sowie in einem weiteren Prozessschritt insbesondere in eine Hartstoffschicht umgewandelt.
Die Erfindung beschreibt mit anderen Worten oder allgemeiner, beziehungsweise gemäß einem eigenständigen Aspekt, ein Verfahren, mit dem eine Maske zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mittels Imprintlithographieerzeugt werden kann. Die Maske dient somit der Herstellung einer lateralen Oberwuchsstruktur.
Bei der Überwuchsstruktur handelt es sich vorzugsweise um eine monokristalline und/oder epitaktische Schicht eines
Beschichtungsmaterials (oder Oberwuchsschichtmaterial), die an einer Keimschichtoberfläche anwächst und diese monokristallin und/oder epitaktisch fortsetzt. Unter einer monokristallinen Schicht versteht man erfindungsgemäß insbesondere eine Schicht, die Ober keine Korngrenzen verfügt. Unter einer epitaktischen Schicht versteht man erfindungsgemäß insbesondere eine Schicht, die mindestens eine Kristallorientierung besitzt, die mit der Kristallorientierung der Oberfläche, auf der sie aufwächst (Keimschicht), übereinstimmt.
Die Schicht bzw. die Schichtoberfläche, von der ausgehend die
erfindungsgemäße, monokristalline und/oder epitaktische, Schicht zu wachsen beginnt, wird als Keimschicht bzw. Keimschichtoberfläche bezeichnet.
Substrate
Bei den Substraten handelt es sich mit Vorzug um Wafer. Die Wafer sind genormte Substrate mit wohldefinierten, standardisierten Durchmessern. Die Substrate können allerdings im Allgemeinen jede beliebige Form besitzen. Die Durchmesser der Substrate können im Allgemeinen jede beliebige Größe annehmen, besitzen aber vorzugsweise eine der genormten Durchmesser von 1 Zoll, 2 Zoll, 3 Zoll, 4 Zoll, 5 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll, 12 Zoll und 18 Zoll sowie 125, 1 50, 200, 300 oder 4S0 mm.
Als Substratmaterialien werden vorzugsweise
• Silizium oder
• Saphir
verwendet.
Im weiteren Verlauf der Palentschrift wird allgemein von Substraten gesprochen. Insbesondere beziehen sich die erfindungsgemäßen
Ausführungsformen allerdings vorwiegend auf Wafer.
Prägestempel
Für den erfindungsgemäßen Prozess können unterschiedliche
Prägestempel verwendet werden. Der Prägestempel kann ein Hartstempel, ein Weichstempel oder ein Folienstempel sein.
Unter einem Hartstempel versteht man einen Stempel, der aus einem Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul (E-Modul) gefertigt wurde. Der E-Modul des Hartstempeis liegt insbesondere zwischen 1 GPa und
1000 GPa, bevorzugt zwischen 10 GPa und 1000 GPa, mit größerem Vorzug zwischen 25 GPa und 1000 GPa, mit größtem Vorzug zwischen 50 GPa und 1000 GPa, am bevorzugtesten zwischen 100 GPa und
1000 GPa. Der E-Modul von einigen Stahlsorten liegt beispielsweise bei um die 200 GPa. Bevorzugte Materialien für Hartstempel sind:
• Metalle, insbesondere
o Metalllegierungen, insbesondere Stähle,
o Reinmetalle, insbesondere Ni, Cu, Co, Fe, AI und/oder W,
• Keramiken, insbesondere Gläser, vorzugsweise
o Metallische Gläser oder
o Nichtmetallische Gläser, insbesondere ■ Organische nichtmetallische Gläser oder
■ Anorganische nichtmetallische Gläser, insbesondere
• Nichtoxidische Gläser, insbesondere
Halogenidgläser oder Chalkogenidgläser, oder
• Oxidische Gläser, insbesondere phosphatische Gläser oder silikatischc Gläser, insbesondere Alumosilikatgläser oder Bleisilikatgläser oder Alkali-Silikatgläscr, vorzugsweise Alkali- Erdalkalisilikatgläser, oder Borosilikatgläser oder Boratgläser, vorzugsweise Alkaliboratgläser, oder
• Legierungen
Unter einem Weichstcmpcl versteht man einen Stempel, der aus einem Werkstoff mit niedrigem E-Modul gefertigt wurde. Der E-Modul liegt insbesondere zwischen 1 GPa und 1000 GPa, bevorzugt zwischen 1 GPa und 500 GPa, mit größerem Vorzug zwischen 1 GPa und 100 GPa, mit größtem Vorzug zwischen 1 GPa und 10 GPa, mit allergrößtem Vorzug zwischen 1 GPa und 5 GPa. Der E-Modul von Polyamiden liegt beispielsweise zwischen 3 GPa und 6 GPa. Bevorzugte Materialien för Weichstempel sind:
• PFPE
• Silikate, insbesondere
o Acryl- und/oder cpoxyhältige Silikate und/oder
o PDMS und/oder
o SSQ, insbesondere POSS.
Unter einem Folienstempel versteht man einen Stempel, der aus einer Folie besteht, die durch eine weitere Beaufschlagungseinrichtung, insbesondere eine Rolle, in die Prägemasse (Maskenmaterial) gedrückt wird. Ein Folienstempel wird in der Druckschrift WO2014/037044A1 offenbart, worauf Bezug genommen wird. Im Sinne der Definition eines Weichstempels kann der Folienstempel auch als Weichstempel angesehen werden. Auf Grund seines geringeren Biegewiderstands, insbesondere bedingt durch eine geringe Dicke der Folie, kann der Folienstempel als eigene Stempelart oder als vorteilhafte Ausführung eines Weichstempcls betrachtet werden.
Keimschicht
Bei der Keimschicht handelt es sich entweder um eine auf ein Substrat aufgebrachte Schicht oder das Substrat stellt die Keimschicht selbst dar. Die Keimschicht ist vorzugsweise monokristallin und/oder epitaktisch.
Die Kcimschichtobcrflächc besitzt insbesondere eine sehr geringe
Rauheit. Die Rauheit wird entweder als mittlere Rauheit, quadratische Rauheit oder als gemittelte Rauhtiefe angegeben. Die ermittelten Werte für die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit und die gemittelte Rauhtiefe unterscheiden sich insbesondere für dieselbe Messstrecke bzw. Messflüche, liegen aber vorzugsweise im gleichen
Größenordnungsbereich. Daher sind die folgenden Zahlenwertcbereichc für die Rauheit entweder als Werte für die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit oder für die gemittelte Rauhtiefe zu verstehen. Da es sich bei den Keimschichtoberflächen vorzugsweise um
monokristalline und/oder epitaktische Schichten handelt, kann der klassische Begriff der Rauheit hier möglicherweise nicht angewandt werden. Unter den angegebenen Rauheitswerten ist insbesondere die Höhendifferenz zwischen der tiefsten, mindestens an einem Punkt freiliegenden und der obersten kristallographischen Ebene der
Keimschichtoberfläche zu verstehen. Die Rauheit der Keimschichtobcrfläche ist insbesondere kleiner als 1 μηι, vorzugsweise kleiner als 100 nm, noch bevorzugter kleiner als 10 nm, am bevorzugtesten kleiner als 1 nm, am allerbevorzugtesten kleiner als 0.1 nm.
Die bevorzugten kristallographischen Orientierungen der Keimschicht sind, insbesondere für Werkstoffe mit kubischem Kristallgitter, die { 100}- und die { I 1 1 }-Orientierung. Weitere denkbare und bevorzugte kristallographischen Orientierungen sind { 1 10} -, {21 1 }-, {221 }- und {31 1 }-Orientierungen.
Bevorzugte Keimschichtmaterialien sind
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Keimschichtmaterialien sind: Si, Saphir.
Pr&gematerial/Maskenrnaterial
Als Prägematerial/Maskenmaterial zur Ausbildung der Maske kann grunds&tzlich jede Art von Material dienen, das • auf einer Oberfläche abgeschieden werden kann, insbesondere nasschemisch, und/oder
• mittels Lithographie, insbesondere Imprintlithographie,
vorzugsweise Nanoimprintlithographie, strukturierbar ist, insbesondere, eine entsprechend hohe Auflösung der Strukturen, insbesondere Mikro und/oder Nanostrukturen, zulässt und/oder im Falle einer vorhandenen Restschicht ätzbar ist und/oder
• die Beschichtungstemperaturen des Beschichtungsmaterials erträgt, ohne sich zu zersetzen und/oder zu verformen und/oder mit dem Beschichtungsmateriai übermäßig zu reagieren, und/oder
. vorzugsweise in der erzeugten epitaktischen Schicht eingebaut bleiben kann, ohne deren Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen.
Unter allen möglichen Materialklassen sind besonders die Silsesquioxane (SSQ), insbesondere polyhedrale oligomerische Silsesquioxane (POSS), erfindungsgemäß geeignet, da sie
• nasschemisch auf einer Oberfläche abgeschieden werden können,
• leicht durch Imprintprozesse strukturierbar sind,
• thermisch und/oder elektromagnetisch aushärtbar sind und/oder
• In Glas umgewandelt werden können, welches chemisch und
physikalisch sehr inert ist.
Der Erfindung liegt weiter der, insbesondere eigenständige, Gedanke zu Grunde, eine Prägemasse aus einer speziellen Mischung herzustellen. Die Mischung besteht aus mindestens einer Hauptkomponente und
mindestens einer Nebenkomponente. Bei der Hauptkomponente handelt es sich mit Vorzug um ein Silsesquioxan. Erfindungsgemäß denkbar wären des Weiteren folgende Materialien:
Polyhedrales oligomerisches Silsesquioxan (POSS) Polydiraethylsiloxan (PDMS)
Tetraethylorthosilicat (TEOS)
• Poly(organo)siloxane (Silikon)
Perfluoropolyether (PFPE)
Die Nebenkomponenten können aus jeder beliebigen organischen und/oder anorganischen Verbindung bestehen. Diese Nebenkomponenten können einen beliebig komplizierten» mit Vorzug organischen, Aufbau besitzen. Entsprechend können sich Verbindungen aus einer Kombination der Elemente der folgenden Liste zusammensetzen. Alle in der Liste vorkommenden chemischen Verbindungen können natürlich als Monomer oder Polymer vorkommen. Bei mindestens einer der Nebenkomponenten handelt es sich mit Vorzug um eine organische, insbesondere eine der folgenden Verbindungen: at
• Alkohol. In einer ganz besonderen Ausführungsform kann die Nebenkomponente der gleichen funktionalen Gruppe angehören wie die organischen, funktionellen Gruppen der Hauptkomponente. In einer weiteren besonderen Ausführungsform kann die Nebenkomponente bereits mit der Hauptkomponente durch eine chemische Reaktion verbunden worden sein, insbesondere durch eine Additions- und/oder Kondensationsund/oder Substitutionsreaktion.
Lösungsmittel werden immer verwendet, um die Hauptkomponente, die Initiatoren und die erfindungsgemäße organische Komponente, mit deren Hilfe die Einstellung und/oder Beeinflussung der Hydrophilität bzw. Hydrophobizität erfolgt, zu lösen. Mit Vorzug werden die Lösungsmittel im Laufe des Herstellprozesses der eigentlichen Struktur aus der erfindungsgemäßen Prägemassc entfernt bzw. entweichen von selbst. Mit Vorzug wird eines der folgenden Lösungsmittel verwendet:
Die Hauptkomponenten und die Nebenkomponenten werden zusammen mit Initiatoren, welche die Kettenreaktion starten, in einem
entsprechenden stöchiometrisch korrekten Verhältnis gemischt. Durch das Mischen der Haupt- mit der Nebenkomponente und dem Initiator kommt es bei Aktivierung des Initiators zu einer Polymerisation, besonders oder zumindest überwiegend zwischen organischen Teilen der Hauptkomponenten. Es kann sein, dass die Nebenkomponenten teilweise an der Polymerisation teilnehmen. Insbesondere polymerisieren nur die Hauptkomponenten untereinander. Bei der Polymerisation entstehen langkettige Moleküle und/oder ganze 2D- und/oder 3D-Netzwerke, mit Vorzug mit einer speziell einstellbaren Anzahl von Monomeren. Die Anzahl der Monomere ist dabei größer als 1 , mit Vorzug größer als 10, mit größerem Vorzug größer als 100, mit größtem Vorzug größer als 1000, mit allergrößtem Vorzug polymerisiercn die Monomere zu einem vollständigen 2D- und/oder 3D-Netzwerk.
Im Folgenden werden die Wörter PrSgematerial und Maskenmaterial als Synonyme verwendet.
Beschichtungsmaterial (auch Oberwuchsschichtmaterial)
Beim Beschichtungsmaterial handelt es sich insbesondere um
Halbleitcrmaterialien. Das Beschichtungsmaterial ist vorzugsweise identisch mit dem Keimschichtmaterial, sodass die Keimschicht durch den erfindungsgemäßen Prozess, vorzugsweise nahtlos, durch Oberwuchs der Maskenöffnungen in die zu erzeugende Oberwuchsschicht übergeht. Keimschichtmaterial und Beschichtungsmaterial können aber auch unterschiedlich sein.
Als Beschichtungsmaterialien und/oder Keimschichtmaterialien kommen insbesondere folgende Materialien in Frage:
•
Erfindungsgemäß bevorzugte Materialien sind: Si, GaAs, GaN, InP, InxGa( j -X)N, InSb, InAs.
Prozess
In einem erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere ersten,
Prozessschritt erfolgt die Bereitstellung eines Substrats mit einer Keimschichtoberfläche. Bei der Kcimschichtoberfläche kann es sich entweder um die Oberfläche einer auf dem Substrat abgeschiedenen Keimschicht handeln oder die, insbesondere aus dem Substratmaterial bestehende, Substratoberfläche selbst dient als Kcimschichtoberfläche. Die Keimschichtoberfläche dient bei der Aufbringung der
Überwuchsschicht insbesondere als Nukleationspunkt für die zu erzeugende, insbesondere monokristalline und/oder epitaktische,
Überwuchsschicht. Vorzugsweise besteht die Keimschicht aus demselben Matertal wie das Beschichtungsmaterial, aus dem die Überwuchsschicht erzeugt wird. Erfindungsgemäß denkbar ist allerdings auch die
Verwendung unterschiedlicher Materialien. Wichtig ist vor allem, dass die Keimschicht die Nukleation der Überwuchsschicht gewährleistet und erfindungsgemäß ein Zugang zur Keimschichtoberfläche insbesondere in Bereichen besteht, an welchen die Überwuchsschicht anwachsen soll.
In speziellen erfindungsgemäß bevorzugten AusfQhrungsformen kann die Keimschicht somit nur an definierten Stellen einer Substratoberflächc aufgebracht, daher nicht vollflächig, sein.
In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere zweiten Prozessschritt erfolgt die Abscheidung des Maskenmaterials auf die Kcimschichtoberfläche. Die Auftragung kann insbesondere durch nachfolgend aufgeführte Verfahren erfolgen: • Physikalische Abscheideverfahren, insbesondere PVD, und/oder
• Chemische Abscheideverfahren, insbesondere CVD, vorzugsweise PE-CVD, und/oder
• Nasschemische Abscheideverfahren, und/oder
• Belackung, insbesondere Schleuderbelackung oder
Sprühbelackung.
In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere dritten Prozessschritt erfolgt die Positionierung eines Pragestempels Uber dem abgeschiedenen Maskenmaterial. In besonderen Ausfuhrungsformen wird eine Ausrichtung des Prägestempels relativ zum Substrat und/oder zur Keimschichtoberfläche durchgeführt. Insbesondere erfolgt die
Ausrichtung anhand von Ausrichtungsmarken.
In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere vierten Prozessschritt erfolgt die Strukturierung des Maskenmaterials. Die Strukturierung erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt durch eine
Imprintlithogaphiemethode, am bevorzugtesten durch eine
Nanoimprintlithographiemethode. Ziel der Imprintlithogaphiemethode ist die Strukturierung des Maskenmaterials. Das Maskenmaterial soll so strukturiert werden, dass in einer minimalen Anzahl von
Strukturierungsschritten, eine Schicht mit einer definierten Anzahl von Maskendurchgängen/Maskenöffnungen pro Einheitsfläche, entsteht. Die Anzahl der Strukturierungsschrittc ist insbesondere kleiner als 10, vorzugsweise kleiner als 5, noch bevorzugter kleiner als 3, am
bevorzugtesten kleiner als 3. Die Anzahl der
Maskendurchgänge/Maskenöffnungen ist insbesondere größer als 1 pro m2, vorzugsweise größer als 1 03 pro m2, noch bevorzugter größer als 107 pro m2, am bevorzugtesten größer als 10" pro m2, am
allerbevorzugtesten größer als 1013 pro m2. In einer bevorzugten Ausführungsform verdrängen die erhabenen
Strukturen des Prägestempels das Maskenmaterial bis zum Anschlag der Strukturen an der Keimschichtoberflache. Hierdurch wird die Bildung einer Restschicht (engl.: residual layer) verhindert und die gewünschte Maskenstruktur direkt geprägt. Auf einen nachfolgenden Ätzschritt zum Freilegen der mit dem Überwuchsschichtmaterial zu beschichtenden Bereiche der Keimschichtoberfläche kann dann verzichtet werden.
In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere fünften, Prozessschritt erfolgt die Aushärtung des Maskenmaterials.
Gemäß einer ersten, weniger bevorzugten, Ausführungsform des
Aushärtens wird das Maskenmaterial thermisch gehärtet. Die thermische Härtung erfolgt durch Wärmezufuhr. Die Temperatur am Maskenmaterial beträgt insbesondere mehr als 50°C, vorzugsweise mehr als L00°C, noch bevorzugter mehr als 250°C, noch bevorzugter mehr als 500°C, noch bevorzugter mehr als 750°C. Eine bevorzugte Temperatur liegt zwischen 500°C bis 600°C. Durch die Wahl spezieller thermischer Initiatoren kann man den Temperaturbereich drastisch senken. Eine noch bevorzugtere Temperatur liegt in diesem Fall zwischen 50°C und 200°C. Im Falle einer thermischen Härtung kann die Wärme über das Substrat und/oder den Stempel eingebracht werden. Wird die Wärme Uber den Stempel eingebracht, sollte der Stempel eine möglichst hohe thermische
Leitfähigkeit, eine möglichst geringe Wärmekapazität und/oder einen möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
In einer zweiten und bevorzugten, Ausführungsform des Aushärtens erfolgt die Aushärtung durch elektromagnetische Strahlung. In diesem Fall sind das Substrat und/oder der Stempel zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, transparent für den jeweiligen Wellenlängenbereich. Mit besonderem Vorzug weist der Prägestempel die obige Transparenz auf, damit beliebige Substrate verwendet werden können. Erfolgt die Aushärtung durch ultraviolettes Licht (UV Licht, bevorzugt), so besitzt die elektromagnetische Strahlung insbesondere eine Wellenlänge im Bereich zwisch1e0nnm und 2000nm, mit Vorzug zwischen l 0nm und 1500nm, mit größerem Vorzug zwisch1e0nnm und 1000nm, mit allergrößtem Vorzug zwischen 10nm und 500nm, mit allergrößtem Vorzug zwischen 10nm und 400nm.
Eine Aushärtung geht meistens mit der Produktion von Gasen einher. Diese Gase werden vor einem Oberwachsen der Maske bevorzugt ausgetrieben, um eine Blasenbildung zu vermeiden. In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt das Aushärten der Maske in der ßeschichtungskammer, insbesondere gleichzeitig mit der Beschichtung. Dadurch wird es möglich, einen zusätzlichen
Prozessschritt einzusparen. Das Aushärten der Maske in der
ßeschichtungskammer wird vorzugsweise durchgeführt, wenn
(i) die Bcschichtungstcmpcratur über der Aushärtetemperatur,
insbesondere der Temperatur die ein vollständiges Ausgasen der Maske erlaubt, liegt und/oder
(ii) der Ausgasprozess vor dem Oberwuchs beendet wird.
Sollte mindestens einer dieser Punkte nicht erfüllbar sein, so wird die Maske vor der Beschichtung in einem eigenen, separaten
Wärmebehandlungsschritt ausgehärtet.
Obwohl bei einer Aushärtung durch elektromagnetische Strahlung bevorzugt keine thermische Strahlungswärme in das System eingebracht wird, kann indirekt eine Aufheizung des Prägestempels durch
Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Strahlung entstehen. Daher gelten vorzugsweise die folgenden Parametersätze för den Prägestempel unabhängig von der Art der Aushärtung.
Die thermische Leitfähigkeit des Prägestempels sollte möglichst hoch sein, um einen möglichst raschen Wärmetransport zu gewährleisten. Die Wärmeleitfähigkeit liegt insbesondere zwischen 0. 1 W/(m*K) und 5000 W/(m*K), vorzugsweise zwischen 1 W/(m*K) und 5000 W/(m*K), noch bevorzugter zwischen 100 W/(m*K) und 5000 W/(m ), am
bevorzugtesten zwischen 400 W/(m*K) und 5000 W/(m*K).
Die Wärmekapizität des Prägestempels ist möglichst klein, um ein Speichern der Wärme zu verhindern. Bei den meisten Festkörpern unterscheidet sich, bei moderaten Temperaturen und Drücken, die Wärmekapazität bei konstantem Volumen nur marginal von der
Wärmekapazität bei konstantem Druck. Im weiteren Verlauf der
Patentschrift wird daher nicht zwischen den beiden Wärmekapazitäten unterschieden. Des Weiteren werden spezifische Wärmekapazitäten angegeben. Die spezifische Wärmekapazität des Prägestempels ist insbesondere kleiner als , vorzugsweise kleiner als 10
noch bevorzugter kleiner als 1 , am bevorzugtesten
kleiner als 0.5 kJ/(kg*K), am allerbevorzugtesten kleiner als 0.1
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Prägestempels sollte möglichst klein sein, um eine Verzerrung des Prägestempels durch die hohen Temperaturdifferenzen zu minimieren. Der thermische
Ausdehnungskoeffizient ist insbesondere kleiner als
vorzugsweise kleiner als noch bevorzugter kleiner als 1
am bevorzugtesten kleiner als am bevorzugtesten kleiner als am allerbevorzugtesten kleiner a In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere sechsten, Prozessschritt erfolgt die Entformung des Prägestempels vom
Maskenmaterial beziehungsweise von der ausgehärteten Maske. Die Entformung des Prägestempels erfolgt vorzugsweise ohne eine
Zerstörung der geprägten Strukturen des Prägematerials. Hartstempel können bei der Entformung zu einer Zerstörung der geprägten Strukturen führen. Bevorzugt werden daher Weichstempel für die Prägung und somit auch Entformung verwendet. Noch bevorzugter werden Folienstempel verwendet, Diese werden vorzugsweise abgezogen und erlauben daher eine noch effizientere Trennung von Prägestempel und Maske.
In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere siebten, Prozessschritt erfolgt das Ätzen der Restschicht, sofern eine derartige Restschicht vorhanden ist. Bevorzugt wird diese Restschicht möglichst dünn ausgebildet. Je dünner die Restschicht, desto schneller kann der Ätzvorgang durchgeführt werden. Die Restschichtdicke ist insbesondere kleiner als 1 μηι, vorzugsweise kleiner als 100 nm, noch bevorzugter kleiner als 10 nm, am bevorzugtesten kleiner als 1 nm. Als
Ätzchemikalien eignen sich insbesondere eine oder mehrere der
folgenden:
Anorganische Säuren, insbesondere HF, HCl, H2SO4, HNO3 und/oder H3PO4,
• Organische Säuren, insbesondere Ameisensäure und/oder
Zitronensäure.
In einem erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere achten,
Prozessschritt erfolgt die Beschichtung der zugänglichen Bereiche der Keimschichtoberfläche. Die Beschichtung erfolgt insbesondere durch Abscheidung von Komponenten (Oberwuchsschichtmaterial), insbesondere Atomen, auf die Keimschichtoberflächen, die durch die Maskenöffnungen zugänglich sind. Dabei werden insbesondere auch Komponenten auf der Maskenoberfläche abgeschieden. Daher werden Komponenten mit extrem hoher Mobilität gewählt. Diese diffundieren von der Maskenoberfläche in die Maskenöffnungen und werden dann vorzugsweise auf der Keimschichtoberfläche abgeschieden, sodass eine kontinuierliche Auffüllung der Maskenöffnungen an der in die
Maskenöffnungen hinein und vorzugsweise nach oben wachsenden Keimschicht erfolgt, während die Maskenoberflächen weitgehend, vorzugsweise vollständig, frei von dem Beschichtungsmaterial bleiben.
Der Beschichtungsprozess findet vorzugsweise bei hohen Temperaturen statt. Die Beschichtungstemperatur ist insbesondere größer als 50°C, vorzugsweise größer als 200°C, noch bevorzugter größer als 500°C, noch bevorzugter größer als 1000°C, noch bevorzugter größer als 1500°C.
Das Wachstum der Überwuchsschicht erfolgt insbesondere in
unterschiedlichen Stadien. Diese lassen sich in nachfolgende Intervalle mit nachfolgend beschriebenen Zeitpunkten näher beschreiben.
Die Wachstumsvorgänge finden vorzugsweise nach einer der nachfolgend aufgeführten Schichtwachstumsarten statt:
• Volmer-Weber-Wachstum und/oder
• Frank-van-der-Merve-Wachstum und/oder
• Stranski-Krastanow-Wachstum
Zu einem ersten Beschichtungszeitpunkt (beziehungsweise -intervall) erfolgt eine Nukleation der Komponenten an der ursprünglichen
Keimschichtoberfläche der Keimschicht, welche die erste Keimebene repräsentiert. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt auf Grund der extrem hohen Beschichtungstemperaturen, insbesondere parallel zum Schichtwachstum, eine Ausgasung des Maskenmaterials. Das Ausgasen sollte vor dem Schichtwachstum vollständig abgeschlossen sein, da sonst die Qualität der Schicht darunter leidet. Die Ausgasung ist insbesondere, vor allem bei SSQ-Materialien, auf das Entweichen anorganischer und/oder organischer Komponenten zurückzuführen. Durch die Ausgasung und Verbrennung der organischen Komponenten, insbesondere im SSQ- Material, wird dieses kontinuierlich in ein Hartmaterial umgewandelt, insbesondere ein reines Siliziumdioxid-Material. Dieser
Ausgasungsprozess sollte daher durch einen eigenen separaten
Prozessschritt vor der Beschichtung (achter Prozessschritt) durchgeführt werden. In einer weiteren denkbaren, aber weniger bevorzugten
Ausführungsform, finden aber Beschichtung und Ausgasung gleichzeitig statt, da die Beschichtung ohnehin bei hohen Temperaturen erfolgt und durch die Zusammenlegung der Prozess beschleunigt wird und weniger Energie verbraucht wird.
Zu einem zweiten Beschichtungszeitpunkt (beziehungsweise -intervalt) wächst die Oberwuchsschicht innerhalb der Maskenöffnung in Richtung der Maskenoberfläche. Vorzugsweise erfolgt dieses Wachstum derart, dass eine Abnahme der Fehlerdichte, insbesondere der
Versetzungsdichte, mit zunehmendem Abstand zur
Keimschichtoberfläche feststellbar ist. Die Versetzungsdichte ist insbesondere kleiner als 101 7 cm-2, vorzugsweise kleiner als 1 01 S cm-2, noch bevorzugter kleiner als 1 013 cm-2, noch bevorzugter kleiner als 10" cm"2, am bevorzugter kleiner als 1 09 cm-2, am allerbevorzugtesten kleiner als 107 cm"2. Gleichzeitig schreitet die Ausgasung bzw. die Verbrennung der organischen Komponenten des Maskenmaterials voran. Die
Ausgasung bzw. Verbrennung wird vorzugsweise vor dem Anwachsen der Überwuchsschicht bis zur Maskenoberfläche abgeschlossen, um ein Einschließen von Gasen in der Oberwuchssschicht zu minimieren oder möglichst vollständig zu verhindern.
In einem dritten Beschichlungszeitpunkt (beziehungsweise -Intervall) erreicht die Keimschicht die Maskenoberfläche und beginnt mit der lateralen Ausdehnung und der Ausbildung der verbleibenden
Überwuchsschicht, die Ober die Maskenoberfläche hinausgeht und insbesondere einen geschlossene, nicht maskierten Bereich der
Überwuchsschicht bildet. Vorzugsweise erreicht die Fehlerdichte, insbesondere die Versetzungsdichte, ab diesem Zeitpunkt ein Minimum. Die Versetzungsdichtc ist insbesondere kleiner als 10" cm'3,
vorzugsweise kleiner als 109 cm-2, noch bevorzugter kleiner als 107 cm-2, noch bevorzugter kleiner als 10* cm-2, am bevorzugter kleiner als 103 cm*2, am allerbevorzugtesten kleiner als 101 cm*2.
In einem weiteren erfindungsgemäß bevorzugten, insbesondere neunten, Prozessschritt wird die Überwuchsschicht auf die gewünschte Höhe wachsen gelassen (durch weitere Beaufschlagung mit
Überwuchsschichtmaterial), um das erwünschte und erfindungsgemäße Endprodukt mit einer definierten Dicke beziehungsweise einem
definierten Schichtenverlauf zu erhalten. Das erfindungsgemäße
Endprodukt setzt sich zumindest aus einer Maske zusammen, die
• durch Imprinttechnologie strukturiert wurde und
• von einer Überwuchsschicht, insbesondere vollumfänglich,
umgeben ist.
In einem weiteren, optionalen, insbesondere zehnten, Prozessschritt kann die neu geschaffene Oberfläche der Überwuchsschicht, insbesondere nach einer erfolgten Prozessierung, an ein (gegebenenfalls weiteres) Trägersubstrat gebondet werden.
In einem weiteren, optionalen, insbesondere elften, Prozessschritt kann das erste Trägersubstrat entfernt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Rückseite (also die Seite der Keimschicht) gedünnt werden. Beim Rückdünnen ist eine vollständige Entfernung der Maske durch den Schleifprozess möglich. Die vollständige Entfernung der Maske erfolgt nur dann, wenn die zwischen ihr gewachsenen Strukturen nicht als Nanodot und/oder Nanowirestruktur verwendet werden. In diesem speziellen Fall würde man eine, insbesondere fehlstellenarme,
monokristalline und/oder epitaktische Schicht durch einen
Schichttransferprozess auf die Oberfläche eines zweiten Substrats transferiert haben.
Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung zur Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:
Figur l a eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines ersten Prozessschritts einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur l b eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines zweiten Prozessschritts der Ausführungsform gemäß Figur l a,
Figur 1 c eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines dritten Prozessschritts der Ausführungsform gemäß Figur l a, Figur l d eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines vierten Prozessschritts der
Ausfuhrungsform gemäß Figur l a,
Figur l e eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines fünften Prozessschritts der
Ausführungsform gemäß Figur l a,
Figur l f eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines sechsten Prozessschritts der
Ausführungsform gemäß Figur l a,
Figur l g eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines siebten Prozessschritts der
Ausführungsform gemäß Figur la,
Figur l h eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines achten Prozessschritts der
Ausführungsform gemäß Figur la,
Figur I i eine nicht maßstabsgetreue, schematische, vergrößerte
Querschnittsdarstcliung aus Figur l h,
Figur lj eine nicht maßstabsgetreue, schematische, vergrößerte
Querschnittsdarstellung aus Figur l h,
Figur l k eine nicht maßstabsgetreue, schematischc, vergrößerte
Querschnittsdarstellung aus Figur l h,
Figur 11 eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines neunten Prozessschritts der
Ausführungsform gemäß Figur l a,
Figur Im eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung eines optionalen zehnten
Prozessschritts der Ausfuhrungsform gemäß Figur l a, Figur I n eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstcliung eines optionalen elften
Prozessschritts der Ausführungsform gemäß Figur l a und Figur 2 eine nicht maßstabsgetreue, schematische,
Querschnittsdarstellung einer spezifischen,
erfindungsgemäßen Ausföhrungsform.
In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Alle gezeigten Figuren stellen ausschließlich schematische und nicht maßstabsgetreue Darstellungen erfindungsgemäß denkbarer
Prozessschritte dar. Insbesondere liegt die Größenordnung der
Strukturen einer Maske 6 zur Maskierung einer Keimschicht 2 im Mikro- und/oder Nanometerbereich. Auf die Maske 6 und die Keimschicht 2 wird eine Überwuchsschicht 14 aufgebracht.
Die Figur la zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Substrats 1 mit einer Substratoberflache l o, auf der die Keimschicht 2 in einem ersten Prozessschritt mit einer Keimschichtoberfläche 2o abgeschieden wird/wurde. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das
Substrat 1 selbst die Keimschicht 2 sein. Die Keimschicht 2 ist
vorzugsweise einkristallin, noch bevorzugter einkristallin und
epitaktisch. Durch das Abscheideverfahren kann insbesondere Einfluss auf die Kristallorientierung der Keimschicht 2 genommen werden.
Bevorzugt sind eine ( 100) und/oder eine ( 1 1 1 )-Kristallorientierung.
Dabei ist unter einer (hkl) Orientierung eine Kristallorientierung zu verstehen, bei der die hkl-Ebenen parallel zur Oberfläche l o des
Substrats 1 liegen. Die hkl-Indizes sind die Miller-Indizes.
Die Figur lb zeigt einen zweiten Prozessschritt, bei dem ein
Maskenmaterial 3 auf der Oberfläche der Keimschicht 2 abgeschieden wird. Die Abscheidung kann durch alle bekannten Abscheideverfahren erfolgen. Da das Maskenmaterial 3 vorzugsweise flüssig, insbesondere als Sol-Gel, abgeschieden wird, ist das Maskenmaterial 3 der
Anschaulichkeit halber mit einer (übertrieben dargestellten) konvex gekrümmten Oberflächenkrümmung dargestellt.
In einem weiteren Prozessschritt gemäß Figur 1 c erfolgt eine
Positionierung eines Prägestempels 4 oberhalb des Maskenmaterials 3. Oer Prägestempel 4 kann insbesondere relativ zum Substrat 1 und/oder relativ zur Keimschicht 2 orientiert und ausgerichtet werden. Eine Ausrichtung erfolgt vorzugsweise an Hand von Ausrichtungsmarken (nicht eingezeichnet), sofern diese vorhanden sind. Bei unstrukturierten Substraten wird allerdings vorzugsweise eine rein mechanische
Ausrichtung durchgeführt.
In einem weiteren Prozessschritt gemäß Figur l d wird das
Maskenmaterial 3 durch den Prägestempel 4 so strukturiert, dass
Maskendurchgänge 1 1 , vorzugsweise bis zur Keimschicht 2 reichende Maskenöffnungen ausgebildet werden. Der Durchmesser d der
Maskendurchgänge 1 1 ist insbesondere kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm, noch bevorzugter kleiner als 100 μπι, am
bevorzugtesten kleiner als 1 0 μπι, am allerbevorzugtesten kleiner als 1 μηι. Die Tiefe t der Maskendurchgänge 1 1 ist insbesondere kleiner als 100 μιτι, vorzugsweise kleiner als 1 0 μιτι, noch bevorzugter kleiner als 1 μιη, am bevorzugtesten kleiner als 100 nm, am allerbevorzugtesten kleiner als 10 nm. Insbesondere entspricht die Tiefe t der
Maskendurchgänge 1 1 damit der Schichtdicke der Maske 6. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d und der Tiefe t größer als 1 , vorzugsweise größer als 10, noch bevorzugter größer als 100, am bevorzugtesten größer als 200, am allerbevorzugtesten größer als 300. Die Maskenöffnung besitzt daher vorzugsweise einen Durchmesser d der größer oder gleich groß der Tiefe t ist.
In Figur l e wird eine Aushärtung des Maskenmaterials 3 dargestellt. Die Aushärtung kann thermisch und/oder chemisch und/oder
elektromagnetisch erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Aushärtung elektromagnetisch, noch bevorzugter mittels UV-Licht. Der Vorteil einer Aushärtung mittels elektromagnetischer Strahlung besteht in der verschwindend geringen beziehungsweise praktisch vernachlässigbaren Ausdehnung des Maskenmaterials 3, während eine thermische
Aushärtung eine nicht zu vernachlässigende thermische Dehnung verursachen kann, welche die Strukturen beschädigen und/oder
verschieben könnte.
Die Figur l f stellt einen Entformungsschritt dar. Nach der Entformung bleibt die Maske 6 auf der Keimschicht 2 zurück. Sollten die
Maskendurchgänge 1 1 der Maske 6 nach der Entformung des
Prägestempels 4 nicht bis zur Keimschicht 2 reichen, also eine
Restschicht 12 vorhanden sein, wird ein zusätzlicher Ätzschritt (siehe Figur l g) ausgeführt. Durch diesen Ätzschritt wird die Restschicht 12 insbesondere im Bereich der Maskendurchgänge 1 1 entfernt, um die Keimschicht 2 im Bereich der Maskendurchgänge 1 1 freizulegen.
Vorzugsweise wird die Erzeugung der Restschicht 12 beim Prägeschritt vermieden, indem der Prägestempel 4 bis an die Keimschicht 4
heranfährt und das Maskenmaterial 3 im Bereich der Maskendurchgänge 1 1 verdrängt.
In einem weiteren Prozessschritt gemäß Figur l h erfolgt die
Beschichtung durch ein Beschichtungssystem 7, insbesondere bei einer hohen Temperatur. Vor der Beschichtung wird daher eine Prozesskammer (nicht dargestellt) aufgehetzt, in der die Beschichtung stattfindet. Bei der Beschichtung gelangt ein Beschichtungsmateria! 8m, das
vorzugsweise identisch mit dem Keimschichtmaterial der Keimschicht 2 ist, über einen Materialstrom 8 durch die Maskendurchgänge 1 1 an die Keimschichtoberfläche 2o der Keimschicht 2. Das Beschichtungsmaterial 8m kristallisiert an der Keimschichtoberfläche 2o aus.
Bedingt durch die hohe Temperatur beim Beschichten treten aus dem Maskenmaterial 3 Gase 1 3 aus, die zu einer Härtung des
Maskenmaterials 3 führen. Es ist denkbar, dass die
Beschichtungstemperaturen nicht ausreichen, um die Gase 13 aus dem Maskenmaterial 3 auszutreiben. In einem solchen Fall wird das
Maskenmaterial 3 vor dem erfindungsgemäßen Überwuchs solange thermisch behandelt, bis sämtliche Gase 13 aus dem Maskenmaterial 3 ausgetrieben sind.
Die Figur I i zeigt eine nicht maßstabsgetreue Vergrößerung eines
Bereichs A (Figur l h) eines der Maskendurchgänge 1 1 zu einem ersten Zeitpunkt t l . Der Maskendurchgang 1 1 besitzt die Strukturgröße d. Im Falle eines radialsymmetrischen Maskendurchgangs 1 1 wäre d der
Durchmesser des Maskendurchgangs 1 1 parallel zur Substratoberfläche l o. Das Beschichtungsmaterial 8m ist durch die Strukturgröße d in Bezug auf seine Keimbildung auf einen Teil der Kcimschichtobcrfläche 2o beschränkt. Die Materialabscheidung des Beschichtungsmaterials 8m erfolgt vorzugsweise epitaktisch. Das bedeutet, dass das
Beschichtungsmaterial 8m die kristallographische Orientierung (hkl) der Keimmaterialoberfläche 2o während seines Wachstums beibehält. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Wachstum des Beschichtungsmaterials 8m in einer Keimebene Kl , die mit der Keimoberfläche 2o der Keimschicht 2 zusammenfällt. Die Figur lj zeigt eine nicht maßstabsgetreue Vergrößerung des Bereichs A eines Maskendurchgangs 1 1 zu einem zweiten Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Beschichtungsraaterial 8m bereits bis zu einer Höhe h l angewachsen. Eine neue (höhere) Keimebene K.2 ist mit Abstand zur ursprünglichen Keimoberfläche 2o entstanden. Ein charakteristisches Merkmal besteht darin, dass die Fehlerdichte, insbesondere die
Versetzungsdichte der Versetzungen 10, mit zunehmendem Abstand zur ursprünglichen Keimoberfläche 2o abnimmt. Die nach oben wachsende, insbesondere einkristalline und/oder epitaktische, Schicht, wird also mit zunehmendem Abstand zur ursprünglichen Keimoberfläche 2o immer perfekter.
Die Figur 1 k zeigt den Zustand eines Oberwuchses der Überwuchsschicht 14 Über die Maske 6 zu einem dritten Zeitpunkt t3, bei dem eine
Keimebene K3 über der Maskenoberfläche 6o liegt. Das
Beschichtungsmaterial 8m hat sich über alle Maskenöffnungen 1 1 , insbesondere gleichmäßig, verteilt. Die Fehlstellendichte, insbesondere die Versetzungsdichte der Versetzungen 10, erreicht ein Minimum und ist vorzugsweise vernachlässigbar klein. Durch den erfindungsgemäßen Prozess wurde somit eine vollflächige, einkristalline, insbesondere epitaktische und fehlerfreie, Schicht 14 erzeugt.
Die Figur 11 zeigt ein erfindungsgemäßes Endprodukt 15, bestehend aus einem Substrat 1 und einer neuen, insbesondere monokristallinen und/oder epitaktischen, vorzugsweise an einer Oberseite 14o fehlerfreien Überwuchsschicht 14. Das Endprodukt I S kann als Ausgangspunkt für weitere Prozessierungen verwendet werden. Keimschicht 2 und
Oberwuchsschicht 14 können insbesondere durch die Fehlstellendichte beziehungsweise Versetzungsdichte voneinander unterschieden werden. Die Überwuchsschicht 14 hat die Maske 6 vorzugsweise vollumfänglich, vorzugsweise vollständig, eingeschlossen. Mit dem erfindungsgemäßen Prozess kann man nicht nur eine über die Maske 6 hinauswachsende, vorwiegend fehlerfreie, monokristalline und/oder epitaktische Schicht erzeugen, sondern auch eine Schicht mit eingeschlossenen Strukturen, insbesondere Punkten (engl. : dots). Befindet sich die Größenordnung dieser Strukturen im Nanometerbrcich, spricht man von Nanodots.
Derartige Nanostrukturen sind notwendig, um Halbleiterbauelemente mit sehr spezifischen, insbesondere auf quantenmechanischen Effekten beruhende, Eigenschaften zu erzeugen. Bei den Nanodots handelt es sich daher um die, von der erfindungsgemäß geprägten Maske umgebenen, Punkte aus der monokristallinen und/oder epitaktischen Schicht. Einen Spezialfall stellen Nanodrähte (engl. : nanowires) dar. Diese können sich unter entsprechenden Bedingungen durch einen Weiterwuchs der monokristailinen und/oder epitaktischen Schicht aus der Apertur in die Höhe bilden. Die monokristalline und/oder epitaktische Schicht vereinigt sich daher beim Erreichen der Maskenoberfläche nicht lateral zu einer Schicht, sondern setzt ihr Wachstum normal zur Maskenoberfläche ungehindert fort.
Denkbar ist auch die ausschließliche Verwendung der gezüchteten, monokristallinen und/oder epitaktischen, insbesondere defektfreien Oberwuchsschicht 14 ohne die eingeschlossene Maske 6. Um die Maske 6 aus der Oberwuchsschicht 14 zu entfernen, wird vorzugsweise die Seite mit der weniger perfekten Keimschicht 2 entfernt.
Vorstellbar ist eine Prozessierung der Oberwuchsschicht 14, gefolgt von einem anschl ießendem Bondschritt eines zweiten Substrats 1 ' an der Oberwuchsschichtoberfläche 14o gemäß Figur I m. Nach dem erfolgtem Bondschritt ist eine Entfernung des ersten Substrats 1 , gefolgt von einem Ätz- und/oder Polier und/oder Rückschleifprozess mittels eines Schleifgeräts 16 zumindest von Teilen der Keimschicht 2 und/oder Teilen der Überwuchsschicht 14 denkbar. Dabei kann
insbesondere die vollständige Maske 6 entfernt werden. Die Entfernung des Substrats 1 wird vor allem dadurch erleichtert, indem die
Keimschicht 2 eine niedrige Adhäsion zum Substrat 1 aufweist.
Besonders bevorzugt wäre ein Prozessfluss, bei dem zuerst ein
Rückschleifen und/oder Polieren der erfindungsgemäß erzeugten
Oberwuchsschicht 14, gefolgt von einem Ätzprozess, erfolgt. Der abschließende Ätzprozess dient einerseits dem Spannungsabbau und andererseits der Entfernung einer durch den Schlcifprozcss erzeugten Defektschicht.
Die Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße, nicht maßstabsgetreue Seitenansicht einer Ausführungsform eines Endprodukts, bestehend aus mehreren Nanodrähten 1 7, die aus den Maskendurchgängen 1 1 wachsen. Im Gegensatz zu anderen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen vereinen sich die Nanodrähte 1 7 nicht lateral zu einer Oberwuchsschicht, sondern wachsen, insbesondere ausschließlich, in die Höhe.
Verfahren zur Aufbringung einer Überwuchsschicht auf eine Keimschicht B EZ U G S Z E I C H E N L I S TE
1, r Substrat
lo Substratoberfläche
2 Keimschicht
2o Keimschichtoberfläche
3 Maskenmaterial
4 (Präge-)Stempel
5 Stempelstruktur
5o Stempelstrukturoberfläche
6 Maske
7 Beschichtungssystem
8 Materialstrom
8m Beschichtungsmaterial
9 kristallographische Ebene (hkl)
10 Gitterbaufehler, insbesondere Versetzung
11 Maskendurchgänge
12 Restschicht
13, 134 Gase
14 Überwuchsschicht
14o Übcrwuchsschichtoberfläche
15 Endprodukt
16 Schleifgerät
17 Nanodraht
Kl, K2, K3 Keimebene
hl, h2 Höhe
t Tiefe
d Durchmesser

Claims

Verfahren zur Aufbringung einer Überwuchsschicht auf eine Keimschicht P atentan s p rüch e
1. Verfahren zur Aufbringung einer maskierten Überwuchsschicht (14) auf eine Keimschicht (2) zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (6) zur Maskierung der Überwuchsschicht (14) auf die Keimschicht (2) geprägt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Keimschicht (2) und/oder die Überwuchsschicht ( 14) epitaktisch und/oder monokristal lin ausgebildet sind/werden, insbesondere aus einem oder mehreren der nachfolgend genannten Materialien als Keimschichtmaterial und/oder Oberwuchsschichtmaterial :
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als Keimschichtmaterial und als Überwuchsschichtmaterial identische Materialien verwendet werden.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maske (6) aus einem, insbesondere eine
Hauptkomponente und eine Nebenkomponente aufweisenden, Maskenmaterial geprägt wird, vorzugsweise mit einer oder mehreren der nachfolgend aufgeführten Hauptkomponenten:
• Silsesqutoxan. insbesondere polyhedrales oligomerisches Silsesquioxan (POSS) und/oder
• Polydimethylsiloxan (PDMS) und/oder
• Tetraethylorthosiiicat (TEOS) und/oder
Poly(organo)siloxane (Silikon) und/oder
Perfluoropolyether (PFPE).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Maskenmaterial zur Maskierung der Keimschicht (2) auf die Keimschicht (2) aufgebracht wird, insbesondere mittels einem der nachfolgend genannten Verfahren:
• physikalische Abscheideverfahren, insbesondere PVD,
und/oder
• chemische Abscheideverfahren, insbesondere CVD,
vorzugsweise PE-CVD, und/oder
• nasschemische Abscheideverfahren, und/oder
• Belackung, insbesondere Schleuderbelackung oder
Sprühbelackung.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Maskenmaterial zur Ausbildung der Maske mittels Imprintl ithographie, vorzugsweise mittels
Nanoimprintlithographie, strukturiert wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keimschicht (2) nach der Aufbringung der Maske (6) im nicht von der Maske (6) bedeckten Beschichtungsbereich der Keimschichtoberfläche (2o) mit der Oberwuchsschicht (14) beschichtet wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwuchsschicht (14) über die Maske (6) hinaus aufgebracht wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keimschicht (2) nach Aufbringung der
Überwuchsschicht (14) zumindest teilweise entfernt, insbesondere abgeschliffen, wird.
10Endprodukt ( 1 5), aufweisend:
- eine Keimschicht (2) zur Herstellung von
Halbleiter bauelementen,
• eine maskierte Überwuchsschicht (14) auf der Keimschicht (2) mit einer niedrigeren Versetzungsdichte als die Keimschicht
(2).
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