特别是用于光学、电子或光电子领域的基片的制造方法和根据所述方法获得的基片

摘要

本发明涉及特别是用于光学、电子或光电子领域的基片的制造方法，和根据所述方法形成的基片。本发明的方法至少包括下列阶段：将种子层(5)转移到接收支持体(3)上，和可用层(6)外延生长到所述种子层(5)上，其特征在于，所述接收支持体(3)的热膨胀系数等于或稍微大于所述可用层(6)的热膨胀系数，以及所述种子层(5)的热膨胀系数约等于所述接收支持体(3)的热膨胀系数。

说明书

技术领域

本发明涉及以下领域：特别是用于光学、电子或光电子领域的基片 的制造方法和通过这样的方法获得的基片。更具体地说，本发明涉及可 用于制造太阳能电池、电致发光二极管和激光器的基片。

背景技术

在用于光学、电子或光电子领域的基片的领域中，已熟知主要有两 种类型的方法用于在支持体基片上形成薄层。

在第一类方法中，由施主基片(donor substrate)获取薄层，以便将 其转移到接收支持体基片(receiving support substrate)上，以得到具有薄的 可用层(usable layer)的基片。“薄层”是指该基片的一个层，在该层上可 制造诸如电致发光二极管等电子元件或其他元件。

在第二类方法中，所述薄层通过沉积技术沉积在接收支持体基片上。 该沉积技术具体可由外延生长或在气相中的化学沉积构成。

无论使用哪一类方法在接收支持体基片上形成可用层，有时必须移 除接收支持体(receiving support)的至少一部分，以获得至少包括所述可用 层的最终基片。

如此移除接收支持体会导致材料损失，造成这类基片的生产成本增 加。

为克服该缺陷，有人提出了一种制造包括薄的可用层的基片的方法， 其中，所述接收支持基片被移除并回收。

在本申请人提交的美国专利US 6 794 276的变形实施方式中记载了 这种方法，该专利描述了基片的制造方法。

该方法包括：通过接合界面处的分子附着将种子层转移到接收支持 体上的阶段；可用层外延生长到种子层上的阶段；和施加应力以导致由 种子层和可用层构成的组合体与接收支持体在接合界面处分离的阶段。

“种子层”是指使可用的外延层生长的材料的层。

在该文献中，为了在对基片进行热处理时使种子层适应接收支持体 和可用层的热膨胀，特定的技术要求是必要的。

在这点上，该文献建议所述种子层必须具有足够小的厚度，约为0.5 微米，并优选小于

该文献还提及的事实是，所述接收支持体由热膨胀系数(TCE)比 可用层的热膨胀系数大0.7倍～3倍的材料构成。

应当指明“热膨胀系数”是指固体的长度变化的比例系数，该固体 的长度变化是下式所示的固体的初始长度及其温度变化的函数：

ΔL＝αL₀ΔT，其中α＝热膨胀系数

在一个变形实施方式中，该文献记载的方法可使接收支持体基片在 其被分离后再次使用。

发明内容

本发明的目的是进一步完善由上述文献所记载的方法。

该类型的方法确实具有几个缺点。

预先进行热处理而导致由种子层和可用层构成的组合体与接收支持 体分离，为了增强种子层和接收支持体之间的接合能，这种热处理是有 用的，但对于种子层材料与接收支持体材料之间的TCE差值过大的情况， 存在基片破裂的危险。

此外，分离后的稳定化退火通常有利于校正所述种子层中的一些缺 陷，其次还有利于增强所述种子层与接收支持体的接合，但是，在这种 稳定化退火的过程中，在应力的累积效应下，可能会出现起皱、位错或 类似的现象而损坏种子层。

如果接收支持体的TCE大于种子层的TCE，则会使种子层在热处理 中受到张力，从而种子层中也可能会出现裂纹。

最后，在使由种子层和可用层构成的组合体分离时，温度的升高导 致某些材料产生不可逆的塑性变形。在由种子层和支持体构成的结构体 中，由这种塑性变形产生的应力导致弯曲，对于特定的转移来说，这种 弯曲抑制了外延结构在最终支持体上的外延生长或接合。

因此，本发明旨在对基片施加不同的热处理时，降低基片破损的风 险，降低种子层损坏或龟裂的风险，或降低最终基片出现残余弯曲的风 险，这些风险会使该基片不可使用。

鉴于此，本发明提出制造特别是用于光学、电子或光电子领域的基 片的方法，该方法至少包括下列阶段：将种子层转移到接收支持体上， 和然后可用层外延生长到所述种子层上，其特征在于，接收支持体的热 膨胀系数等于或稍微大于可用层的热膨胀系数，以及种子层的热膨胀系 数约等于接收支持体的热膨胀系数。

因此，在对这种结构进行稍后的热处理时，种子层和接收支持体将 以大致相同的方式膨胀。

优选的是，种子层由热膨胀系数等于接收支持体的热膨胀系数的(1 ±ε)倍的材料构成，其中的ε约为0.2，优选ε等于0.1。

另外，接收支持体由热膨胀系数为可用层的热膨胀系数的1至1+ε’ 倍的材料构成，ε’的典型值为0.2。

种子层和/或接收支持体包括下列材料中的一种材料：硅、锗、碳化 硅、GaN和蓝宝石。

另外，种子层的化学组成优选与接收支持体的化学组成相同。

本发明的另一目的涉及特别是用于光学、电子或光电子领域的复合 基片，该基片包括接收支持体上的至少一个种子层，和在所述种子层上的 可用外延层，其特征在于，接收支持体的热膨胀系数等于或稍微大于可用 层的热膨胀系数，以及种子层的热膨胀系数约等于接收支持体的热膨胀系 数。

附图说明

参考附图，本发明的其他优点和特征通过以下几个变形实施方式的 描述而变得更清楚，所述变形实施方式是由本发明的基片的制造方法及 利用所述方法获得的基片的非限制性实施例方式给出的，其中：

图1示意性地表示实施本发明方法的一个实例的各阶段，

图2示意性地表示实施本发明方法的另一个实例的各阶段。

具体实施方式

参考图1，本发明的方法包括用于在施主基片1中植入特定深度的 原子物种以形成脆性区2的阶段。

在另一阶段100中，施主基片1通过任意的适宜手段接合到接收基 片3上。

在本文的其余部分，“接合”是指使施主基片1与接收基片3紧密接 触以便通过分子的附着将它们组装。该接合可通过不同方法实现：

-使施主基片1的表面与接收支持体3的表面直接接触，

-在施主基片1的表面上形成接合层以产生粘接层(junction layer)， 在接收支持体基片3的表面上形成接合层以产生另一粘接层，并使施主 基片1和施主基片3的各粘接层的表面接触，

-仅在两个基片之一上形成接合层。

应当注意，接合层可以由例如绝缘层或介电层构成。

在本发明的方法的该特定实施例中，施主基片1通过沉积在施主基 片1和/或接收基片3的表面上的接合层4与接收基片3接合。

除此之外，在该阶段中还可包括退火步骤，以增强接合层4与施主 基片1和/或接收基片3的表面之间的接合界面。

不过，接合也可以使用本领域的技术人员所熟知的任何一种方法实 现。

在阶段200，种子层5在脆性区2处与施主基片1分离，然后，在 阶段300，可用层6沉积到种子层5的表面上。

在阶段300，可用层6优选通过本领域技术人员公知的外延生长获 得。

用于植入原子物种并分离种子层5的阶段200相当于智能切割 (Smart Cut^TM)型的方法，其概述可以参考“Kluwer Academic Publishers” 出版的Jean-Pierre Colinge的名称为“Silicon-On-Insulator Technology： VLSI materials，2nd Edition”的第50页和第51页的出版物。

通过以下操作来实现种子层5与施主基片1的分离，所述操作包括 热处理、施加机械应力和化学侵蚀中的一种操作或者这些操作中的至少 两种操作的组合。

种子层5由热膨胀系数等于接收支持体3的热膨胀系数的(1±ε)倍 的材料构成，其中ε约为0.2，优选ε等于0.1。

不过可以看出，热膨胀系数不仅随温度和存在于各层中的缺陷而变 化，而且还受到所采用的测量技术的影响。

因此，在对这种结构进行热处理时，尤其是在将种子层5和可用层 6与接收基片3分离(将在后面进行更详细的描述)时，种子层5与接收 支持体3将以大致相同的方式膨胀。

对于接收支持体3而言，接收支持体3由热膨胀系数为可用层6的 热膨胀系数的1至1+ε’倍的材料构成，其中ε’为0～0.8，优选为0.2～0.3。 可用层6、种子层5和接收支持体3的热膨胀系数相近，这使在热处理时 能够获得与所述不同的层5和6以及接收支持体3的相同量级的膨胀， 因此消除了所有损坏基片的风险或者所有最终基片中出现残余弯曲的风 险。

种子层5和/或接收支持体3包括下列材料中的一种材料：硅(例如 硅{111})、锗、多晶或单晶碳化硅、GaN、多晶或单晶AlN和蓝宝石。

另外，种子层5的化学组成可以与接收支持体3的化学组成相同。

除此之外，在分离200的阶段和可用层的沉积300的阶段之间，本 发明的方法还包括制备种子层5的表面的阶段。这些制备阶段包括诸如 抛光、退火、使用例如氢气的平滑退火(smoothing annealing)、用于增强 接合界面的退火、牺牲氧化(氧化然后除去氧化物)和刻蚀等操作。

阶段400导致由种子层5和可用层6构成的组合体与接收支持体3 在接合层4处分离。

可以看出，在需要获得自支持体基片的情况中，由种子层5和可用 层6形成的组合体可以与接收支持体3分离，只要所述组合体的厚度等 于或大于50μm即可。

为实施分离，可以采用不同的技术，具体而言，可以在接合层4处 施加机械、热、静电应力，和/或施加任何一种刻蚀(湿式、干式或气态 化学刻蚀和等离子体刻蚀等等)，和/或施加任一种辐射侵蚀(例如激光) 或者化学侵蚀，或者采用类似技术。

然后，首先得到接收基片3，在制造本发明的新基片时，该接收基 片3或者被销毁，或者回收以备再次使用，其次得到由种子层5和可用 层6构成的结构。

应当注意的是，为了在接合层4处实施由种子层5和可用层6构成 的组合体与接收支持体3的分离，如果所述接收支持体3将被销毁，则 采用化学刻蚀是有优势的。另一方面，如果所述接收支持体3将被回收 以备再次使用，则优选的是对接合层4施加机械应力或者化学侵蚀，这 会导致完全分离。

随后通过任意的适宜手段移除种子层5。

在本发明方法的变形实施方式中，将可用层6转移到最终支持体基 片7上。该最终支持体基片7包括下列材料中的一种材料：诸如硅和锗 等半导体材料、诸如铜等金属、塑性材料和玻璃。

应当注意的是，由此得到的结构体不经历热处理，所述最终支持体 基片7可以由热膨胀系数和/或晶格参数与可用层6不同的任意材料形成。

优选的是，可用层6通过接合转移到最终支持体基片7上，所述接 合通过在可用层6和/或最终支持体基片7的表面之一上施加接合层8而 获得。

同样，对于最终基片7的选择，该阶段所采用的接合技术主要受可 用层6的热膨胀系数和/或晶格参数的限制，而与温度相关的行为或者污 染物对该结合技术的限制较小。

所用的接合层8选自：SiO₂和Si₃N₄型的绝缘层；如聚酰亚胺等有机 层；如硅化钯Pd₂Si、硅化钨WSi₂、SiAu和PdIn等导电金属中间层和密 封材料。因而导电中间层确保在所述接合层的背面上的有效接触。

除此之外，结构体还可以被埋入该接合层8中，因此能够产生用于 制造太阳能电池的三结(triple junction)中的背结(rear junction)。

该埋入结构例如可由基于n-i-p型非晶硅的三结构成。该埋入结构因 而包括称为背面接触层的下层，该层由诸如银(Ag)或铝(Al)等金属 组成，在该层上沉积有透明的导电氧化物。该背面接触层首先形成用于 连接三结太阳能电池的电接触点，其次形成用于反射所有未被太阳能电 池吸收的光线的背面镜。该背面镜由依次沉积在背面接触层上的分别为 n、i和p型的三层非晶硅构成。

可以看出，对于LED的制造来说，各反射镜也可以被埋入接合层8 中。

根据本发明方法的变形实施方式(未在图1中示出)，在移除种子层 5之前，将可用层6和种子层5转移到最终支持体基片7上。

根据本发明方法的另一优选变形实施方式，如图2所示，以与先前 相同的方式在施主基片1中植入原子物种至特定的深度，以形成脆性区2， 然后在另一阶段100中，施主基片1通过任意的适宜手段接合到接收基 片3上。

在阶段200，在脆性区2处种子层5与施主基片1分离，然后在阶 段300，可用层6沉积在种子层5的表面上。

通过以下操作来实现实现种子层5与施主基片1的分离，所述操作 包括热处理、施加机械应力和化学侵蚀中的一种操作或者这些操作中的 至少两种操作的组合。

根据最后的变形实施方式，例如在沉积可用层6之前，利用BESOI 型方法减薄施主基片而得到种子层5。

然后借助接合层8，最终支持体基片7被转移到可用层6上。

随后施加应力，导致由种子层5、可用层6、接合层8和最终支持体 基片7所构成的结构与接收支持体3在接合层4处分离。

结果得到将备回收的接收基片3，还得到由种子层5、可用层6、接 合层8和最终支持体基片7构成的结构。

随后通过任意的适宜手段移除种子层5，以获得最终基片。

实施例

以下参考图2，对形成根据本发明获得的基片的两个具体但非限制 性实施例进行描述，所述基片分别用于制造太阳能电池和电致发光二极 管。

实施例1

在该实施例中，通过在由锗(Ge)生成的施主基片1中将原子物种植 入至特定深度而形成脆性区2，然后，通过接合层4接合同样由Ge生成 的接收基片3。

在施主基片1或接收基片3中的至少一个的表面上形成优选由氮化 物或氧化物生成的该接合层4。

在阶段200，采用SmartCut^TM方法(记载在“Kluwer Academic Publishers”出版的Jean-Pierre Colinge的名称为“Silicon-On-Insulator Technology：VLSI materials，2nd Edition”的出版物的第50页和第51页)， 在脆性区2处使Ge种子层5与施主基片1分离，在25℃～600℃的温度 范围内，该种子层5的热膨胀系数(也称为CTE)从4.66×10^-6至6.67 ×10^-6变化。

通过以下操作来实现实现种子层5与施主基片1的分离，所述操作 包括热处理、施加机械应力和化学侵蚀中的一种操作或者这些操作中的 至少两种操作的组合。

在阶段300，将砷化镓可用层6沉积到种子层5的表面上，其中AsGa 的TCE在25℃～600℃的温度范围内为5.00×10^-6～7.40×10^-6。

为了形成结(三结、四结等)，沉积AsGa层后，可通过外延生长而 沉积各不同层，例如InP层、AsGa层、GaInP层、InGaAs层、InGaAlP 层或InGaAsN层，以形成外延叠层体。

可以看出，可用层6的结晶品质至少与可通过在Ge固体基片上外延 生长而得到的结晶品质相当。

可用层6和种子层5随后被转移到最终支持体基片7上。

应当注意的是，如果预先生成了外延叠层体，则最终支持体7也可 以和外延叠层体接触。

该最终支持体7包括下列材料中的一种材料：半导体(硅或锗)、塑 性材料和玻璃。

通过接合将可用层6和种子层5转移到最终支持体基片7上，该接 合通过使用接合层8而实现，该接合层8选自绝缘层(SiO₂和Si₃N₄等)、 有机层(聚酰亚胺)、诸如硅化钯Pd₂Si和硅化钨WSi₂等金属层和密封材 料(SiAu和PdIn等)。

随后通过任意的适宜手段将最终支持体基片7、种子层5和可用层6 例如在接合层4处与接收支持体3分离，由此所述接收支持体3被有利 地回收。该分离可通过在接合界面处施加应力(例如机械应力、热应力、 静电应力和例如由激光辐射产生的应力等)来实现。

最后，移除种子层，以获得由最终支持体基片7、接合层8和可用 层6构成的最终基片或者外延叠层体。

实施例2

在该实施例中，通过在由固体蓝宝石(在25℃～1000℃的温度范 围内，其TCE从4.30×10^-6至9.03×10^-6变化)生成的施主基片1中将原 子物种植入至特定深度而形成脆性区2。

植入包括氢的植入，氢的植入速度为0.5×10¹⁷at/cm²～3×10¹⁷at/cm²，优选为1×10¹⁷at/cm²～2×10¹⁷at/cm²，氢的植入能量约为20keV～ 210keV，优选为100keV。

通过接合层4接合同样为固体蓝宝石的接收基片3，其中所述接合 层4可达到1微米的厚度，因而便于通过对该接合层4进行侧向化学侵 蚀，从而实现随后的接收支持体基片3的分离。

在阶段200，采用Smart Cut^TM方法，使蓝宝石种子层5在脆性区2 处与施主基片1分离，然后在阶段300，将各可用层6沉积到种子层5的 表面上。这些基于例如GaN、AIN、InGaN或InN和它们的三元化合物 (AlGaN和InGaN等)的可用层6通过外延生长而沉积。

通过以下操作来实现实现种子层5与施主基片1的分离，所述操作 包括热处理、施加机械应力和化学侵蚀中的一种操作或者这些操作中的 至少两种操作的组合。

以与前述实施例相同的方式，可用层6和种子层5随后被转移到最 终支持体基片7上，所述最终支持体基片为蓝宝石，或者包括下列材料 中的一种材料：硅、铜、塑性材料和玻璃。

通过接合实现可用层6和种子层5至最终支持基片7上的这种转移， 该接合通过使用接合层而实现，所述接合层选自绝缘层(SiO₂和Si₃N₄等)、有机层(聚酰亚胺等)、诸如硅化钯Pd₂Si和硅化钨WSi₂等金属层 和密封材料(SiAu和PdIn等)。

随后通过任意的适宜手段，将最终支持体基片7、种子层5和可用 层6在接合层4处与接收支持体3分离，该接收支持体3可被有利地回 收。

最后，很显然，上文所描述的实施例并未以任何方式限制有关本发 明的应用领域。