用于分离在半导体晶片上外延生长的III-V族半导体层的方法与流程

背景技术：

1、由jana wulf等人的《通过直接背面电镀和图案化外延升华实现的薄膜砷化镓太阳能电池(thin film gaas solar cell enabled by direct rear side plating andpatterned epitaxial lift-off)》，ise，德国，2021年6月20-25日，第48届ieee光伏专家会议(pvsc)，劳德代尔堡，佛罗里达州，美国，issn:0160-8371，已知一种用于gaas半导体层的分离工艺。在此，中间层序列借助在衬底上的movpe外延工艺施加到gaas衬底上，其中，该中间层序列包括多个层。在该中间层序列上，构造为gaas太阳能电池的半导体层以与晶格适配的方式生长成衬底。接下来，借助掩膜工艺覆盖gaas太阳能电池的上侧(带状开口除外)，并且借助非选择性湿蚀刻工艺在结构元件层中产生十字状沟道图案，用于使牺牲层裸露。在另一个工艺步骤中，结构化的金属薄膜作为传输层对齐并且施加到太阳能电池的表面上，使得沟道图案保持敞开，用于引入hf酸。接下来，借助氢氟酸蚀刻掉20nm厚的、由alas组成的牺牲层，并且从衬垫上分离半导体层或gaas太阳能电池。

技术实现思路

1、在该背景下，本发明的任务在于提出一种扩展现有技术的设备。

2、该任务通过具有根据本发明的特征的用于从半导体晶片上分离外延生长的半导体层的方法解决。本发明的其他构型是可选的实施方式。

3、根据本发明的主题，提供一种用于分离在半导体晶片上外延生长的iii-v族半导体层的方法。

4、该半导体晶片至少具有100mm或者150mm或者以上的直径。

5、该半导体晶片构造为衬底并且具有上侧和下侧，并且该半导体晶片的厚度大于100μm。该半导体晶片包括iii-v族材料或者iv族材料，或者由iii-v族材料或者iv族组成。例如，该半导体晶片由inp或者gaas或者由ge构造。

6、在该半导体晶片的上侧上构造有缓冲层，该缓冲层具有上侧和下侧。

7、在该缓冲层的上侧上构造有牺牲层，并且在该牺牲层的上方布置有用于构造结构元件的半导体层，其中，该半导体层的厚度大于0.5μm。

8、上述层分别包括iii-v族材料或者由iii-v族材料组成。iii-v族材料的示例是gaas、inp、ingap、ingaasp。

9、在该半导体层的上方构造有载体层，其中，该载体层和该半导体层包括不同的材料。优选地，该载体层的厚度大于10μm。

10、与所述半导体层相比，牺牲层的湿化学蚀刻率更高，且所述牺牲层的湿化学蚀刻率是所述半导体层的湿化学蚀刻率的至少10倍。

11、此外，牺牲层和缓冲层和半导体层和载体层分别整面地构造或者至少分别在半导体晶片的中央区域中整面地构造。该中央区域至少具有40mm的半径。

12、在一个工艺步骤中，将半导体晶片引入或导入到容纳装置(aufnahmeeinrichtung)中。该容纳装置包括平坦的衬垫，所述半导体晶片放置在该衬垫上。在一种实施方式中，该衬垫能够与半导体晶片一起在至少两个空间方向上电动地运动。

13、在一个工艺步骤中，从存储器装置中读取布置在半导体晶片的上侧上的点的位置数据。

14、在一个工艺步骤中，借助定位装置——其中，该定位装置包括激光器——向根据位置数据预给定的点运动，并且在所述点的至少一部分上借助该激光器穿过载体层和构造在载体层下方的层产生孔，所述孔具有底部。

15、控制激光器，使得相应的孔的底部构造在缓冲层内。

16、在一个湿化学工艺步骤中，在支承的(aufliegender)载体层的情况下，将蚀刻溶液引入到所述孔中，以便至少部分地移除牺牲层并且分离半导体层。

17、应注意的是，以所说明的顺序执行所列举的工艺步骤。

18、应注意的是，构造蚀刻溶液，使得载体层和半导体层尽可能不被腐蚀。换言之，蚀刻溶液选择性地溶解牺牲层。在此有利的是，实现尽可能高的选择性，即快速地蚀刻掉牺牲层。

19、另外应注意的是，构造在半导体层上方的载体层具有至少一个与半导体层不同的化学计量。

20、优选地，中央区域是非结构化的，即所述层分别具有平坦的平面。但是应当理解，尤其在半导体晶片的边缘附近的部分具有表面形状(topographie)。

21、还应注意的是，在一种扩展方案中，中央区域是非结构化的，然而具有由基座(untergrund)决定的表面形状。在此，术语“基座”指的是衬底与载体层之间的层。换言之，载体层和/或可能支承在载体层上的另外的层是整面的并且分别不是本身结构化的。

22、本方法的优点在于，借助激光器才使载体层以及位于其下方的层敞开或结构化。无需用于使结构化的层相互对齐的、开销大的掩膜和对齐方法步骤。

23、另一优点是，借助高选择性的湿化学蚀刻步骤能够在很大程度上特定于材料地蚀刻牺牲层。尤其与通过激光器产生的、特别精确的孔相结合地，能够显著增大结构元件有用面积。无需使用不同的蚀刻溶液，所述沟道借助所述蚀刻溶液被加宽。

24、另一优点在于，借助激光器能够通过简单且快速的方式产生任意图案。换言之，能够通过简单的方式产生不同的结构元件结构，而无需开销大的掩膜工艺。尤其是事实表明，在100mm的半导体晶片中能够快速地产生多个孔。在当前情况下，“多个”理解为在1000至10000个孔之间的范围中的孔数量或者在4000与6000个孔之间的范围。事实表明，通过使用上述多个孔，能够容易且可靠地分离半导体层。

25、在一种扩展方案中，在每个点上借助激光器产生恰好一个孔。接下来，使激光器移动到另一个点，以便借助激光器产生另一个孔。

26、在另一种扩展方案中，仅借助激光器产生所述孔。如前所述，有利的是，省去尤其借助开销大且昂贵的掩膜工艺进行的预结构化。应当理解，借助激光器钻通(durchbohren)支承在缓冲层上的所有层，其中，在一些实施方式中，除了iii-v族半导体层之外，支承的层尤其还包括金属层和/或塑料层。

27、在一种实施方式中，所述孔彼此间隔开。优选地，直接相邻的两个孔之间的间距处于在0.001mm与10mm之间的或者在2mm与5mm之间的范围中。

28、在一种扩展方案中，所述孔的直径处于在1μm与100μm之间的或者在10μm与60μm之间或者30μm±5μm之间的范围中。优选地，所述孔圆形地或者椭圆形地构造。在一种扩展方案中，所述孔具有几乎垂直的或者恰好一个垂直的侧壁。术语“几乎”理解为与垂直线的偏差为±10°。

29、在一种扩展方案中，所述孔的在开口处的直径与在底部处的直径的偏差小于25％或者小于10％。优选地，在开口处的直径大于或者等于在相应的孔的底部处的直径。

30、替代地，所述孔依次排列，使得所述孔彼此接合。在当前情况下，“彼此接合”理解为，在两个相邻的孔之间在所述孔的开口的高度上构造有具有小于1mm的厚度的侧壁或者未构造有侧壁。

31、在另一种实施方式中，沿着该线依次排列所述孔，使得构造沟道状的结构或者构造长孔的依次排列。研究表明，借助沟道状的结构能够缩短湿化学蚀刻的持续时间。

32、在一种扩展方案中，沿着多条线布置所述孔，其中，所述线构造十字形图案或者一个正方形的或者多个正方形的外侧边。通过线的数量和/或正方形的数量，能够影响湿化学蚀刻的持续时间。

33、在另一种实施方式中，载体层包括金属层和/或iii-v族材料，或者载体层由金属层组成或者由iii-v族材料组成。

34、在一种扩展方案中，载体层的厚度在20μm与500μm之间或者在50μm与300μm之间或者在100μm与200μm之间。在一种扩展方案中，金属层包括多个不同的金属层或者由多个不同的金属层组成。

35、在一种扩展方案中，载体层材料锁合地构造在半导体层上。

36、在另一种实施方式中，在载体层与金属层之间构造有间距层。该间距层的厚度在0.1μm与10μm之间或者在0.3μm与7μm之间或者在0.5μm与2μm之间。

37、在一种扩展方案中，间距层构造为传导性的半导体层或者构造为半传导性的半导体层或者构造为绝缘的半导体层。在另一种实施方式中，间距层构造为介电层。

38、在一种实施方式中，将间距层尤其在实施为介电层的情况下结构化，以便将金属的载体层与半导体层电连接。在此，金属的载体层构造为接触层。在一种扩展方案中，为了借助金属层进行电连接，介电层具有凹槽，所述凹槽处在5％至20％的范围中或者处在10％的范围中。

39、如果在半导体层中构造有半导体结构元件或如果半导体层本身是结构元件，则能够通过接触层有利且可靠地电连接电结构元件或半导体层。

40、在此应当理解，尽可能低地构造连接电阻。优选地，接触电阻处于在0.01欧姆与2欧姆之间的范围中或者处于在0.1欧姆与0.5欧姆之间的范围中。

41、在一种扩展方案中，在产生所述孔之前或者之后，有利地材料锁合地在载体层上布置传输层(transferschicht)。如果在产生所述孔之前构造传输层，则借助激光器穿过该传输层产生所述孔。

42、在另一种扩展方案中，该传输层包括金属层和/或塑料层，或者该传输层由金属层组成或者由塑料层组成。

43、在一种实施方式中，该传输层包括多层式层系统或者由多层式层系统组成。在一种实施方案中，载体层的厚度在20μm与500μm之间或者在50μm与300μm之间或者在100μm与200μm之间。

44、在另一种实施方式中，牺牲层的厚度在5nm与20nm之间。在一种扩展方案中，与半导体层相比，牺牲层的湿化学蚀刻率更高，且牺牲层的湿化学蚀刻率是半导体层的湿化学蚀刻率的至少100倍或者至少500倍。

45、在另一种实施方式中，缓冲层的厚度在0.5μm至50μm的范围中或者在1.0μm与30μm之间的范围中或者在5μm与10μm之间的范围中。

46、在一种扩展方案中，缓冲层在沿衬底的方向构造的下侧上具有与沿牺牲层的方向构造的上侧相同的或者不同的晶格常数。应注意的是，在下侧上的晶格常数与衬底的晶格常数一致。

47、应当理解，借助在缓冲层的上侧上的晶格常数确定半导体层的晶格常数。如果缓冲层的两个晶格常数相等，则衬底的晶格常数相应于半导体层的晶格常数。换言之，半导体层的整个层堆叠彼此晶格适配。

48、如果在半导体晶片的上侧与缓冲层的下侧之间未构造有另外的层，则相应内容适用，然后，半导体晶片的上侧的晶格常数也与下侧的晶格常数一致。

49、如果缓冲层的晶格常数不同，则在另一种扩展方案中，该缓冲层包括变质的层系统。换言之，缓冲层构造为变质的缓冲器。在另一种扩展方案中，在缓冲层的上侧上的晶格常数大于在缓冲层的下侧上的晶格常数。

50、在一种实施方式中，牺牲层包括alas或者由alas组成，和/或牺牲层包括ingap或者由ingap组成。

51、在一种扩展方案中，与半导体晶片的材料相比和/或与半导体层相比，牺牲层的湿化学蚀刻率更高，且牺牲层的湿化学蚀刻率是半导体晶片的材料的湿化学蚀刻率和/或与半导体层的湿化学蚀刻率的至少10倍或者至少100倍或者至少500倍。

52、在另一种扩展方案中，与缓冲层相比，牺牲层的湿化学蚀刻率更高，且牺牲层的湿化学蚀刻率是缓冲层的湿化学蚀刻率的至少10倍或者至少100倍或者至少500倍。

53、应当理解，与缓冲层相比并且与半导体层相比，牺牲层具有不同的iii-v族化合物。

54、在一种实施方式中，半导体层的厚度在1μm与150μm之间的范围中或者在10μm与80μm之间的范围中或者在20μm与40μm之间的范围中。

55、在一种扩展方案中，半导体层由gaas或者由ingaas或者由ingaasp或者由(al)ingap组成。

56、在另一种扩展方案中，半导体层由恰好一个层或者由多个半导体层组成。优选地，多个iii-v族半导体层具有不同的iii-v族化合物。

57、在一种扩展方案中，半导体层包括iii-v族多结太阳能电池或者由iii-v族多结太阳能电池组成。在另一种扩展方案中，半导体层包括gaas或者ingaas，或者半导体层由gaas或者ingaas组成。

58、在一种实施方式中，半导体层构造为高截止的(hochsperrende)二极管，其具有大于200v的截止电压。

59、在另一种实施方式中，在缓冲层与半导体晶片之间布置中间层。

60、在另一种实施方式中，与该中间层材料锁合地连接的两个层相比，中间层具有不同的材料组分或者至少一个不同的化学计量。

61、在一种扩展方案中，中间层的厚度在2nm与20nm之间。在另一种扩展方案中，与半导体晶片的材料相比，中间层的湿化学蚀刻率更高，且中间层的湿化学蚀刻率是半导体晶片的材料的湿化学蚀刻率的至少10倍或者至少100倍或者至少500倍。

62、在一种实施方式中，中间层包括iii-v族材料或者由iii-v族材料组成。

63、在另一种实施方式中，在分离之后，将半导体层置于衬垫上，以便执行另外的方法步骤。

64、在一种扩展方案中，在分离之后，在另一个湿化学步骤中，从半导体层的下侧完全移除牺牲层。

65、在一种实施方式中，在边缘区域中缺少上述层中的至少一个层或者不缺少上述层中的任何层，其中，该边缘区域的横向延伸尺度小于半导体晶片的半径的3％。

66、在另一种实施方式中，借助容纳设备(aufnahmevorrichtung)，将半导体晶片调准为+/-100μm或者+/-50μm或者+/-10μm的横向精度。

67、在一种扩展方案中，在载体层与半导体层之间构造有介电层。优选地，该介电层是结构化的，使得半导体层电借助金属层电接通。

68、在另一种扩展方案中，牺牲层和缓冲层包括相同材料或者由相同材料组成，或者具有相同的化合物。尤其是，牺牲层和缓冲层具有相等的化学计量。

69、在一种实施方式中，借助控制装置改变激光射束的持续时间和/或强度，以便调设孔的几何形状和/或深度。在另一种实施方式中，借助端点探测实现对激光器的控制。

70、在另一种扩展方案中，为了控制激光器，不仅改变持续时间，还改变强度，以及使用端点探测。

71、在一种实施方式中，在牺牲层与半导体层之间构造另外的缓冲层，使得该牺牲层构造在缓冲层与另外的缓冲层之间作为三明治结构。应当理解，与牺牲层相比，另外的缓冲层具有至少一个不同的化学计量，优选地，所述层具有不同的iii-v族化合物。

72、在另一种实施方式中，该另外的缓冲层的厚度在0.5μm至50μm的范围中或者在1.0μm与30μm之间的范围中或者在5μm与10μm之间的范围中。

73、在一种扩展方案中，缓冲层和另外的缓冲层由相同的iii-v族化合物或者不同的iii-v族化合物组成或者包括相同的iii-v族化合物或者不同的iii-v族化合物。

74、在另一种实施方式中，在另外的缓冲层与半导体层之间构造蚀刻停止层。应当理解，与半导体层相比并且与另外的缓冲层相比，该蚀刻停止层具有至少一个不同的化学计量，优选地，所述层具有彼此不同的iii-v族化合物。

75、在一种实施方式中，另外的缓冲层和半导体层具有相同的iii-v族化合物，但是具有与牺牲层不同的化合物。