專利名稱：制備具有單晶薄膜的基板的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備具有較少晶體缺陷的單晶薄膜的基板的方法。
背景技術(shù)：
用于諸如功率晶體管、激光器、LED和高頻元件等半導(dǎo)體器件中的 由硅、SiC、 GaN、 A1N、氧化鋅、金剛石等形成的單晶薄膜和基板的重 要性日益增加。
通常，通過(guò)利用氣相外延、液相外延、濺射、EB、 MBE、 PVD (如 升華)等，在選自例如晶格常數(shù)接近單晶薄膜的硅、藍(lán)寶石、SiC等的單 晶基板上生長(zhǎng)薄膜來(lái)制備單晶薄膜。
另一方面，在這些例子中使用的基板一般通過(guò)使用晶種以FZ法、 CZ法、升華法等進(jìn)行塊狀晶體生長(zhǎng)、然后切片、拋光等來(lái)制備。
然而，通過(guò)這樣的傳統(tǒng)方法得到的單晶薄膜或基板的缺點(diǎn)在于，用 作晶種基板的單晶基板中的位錯(cuò)缺陷繼續(xù)發(fā)生，或者由于晶格常數(shù)或熱 膨脹系數(shù)的失配所造成的晶體應(yīng)變或分層缺損，或者諸如晶間縮孔等晶 體缺陷易于發(fā)生。位錯(cuò)缺陷指晶體中原子的周期性紊亂。
由于大量的這些晶體缺陷對(duì)器件的初始性能和長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生不利 影響，因此為了制備具有高性能和高可靠性的半導(dǎo)體器件，將要使用的 單晶薄膜或基板的晶體缺陷必須盡可能少。
因此，常規(guī)地，為了減少晶體缺陷的數(shù)量，已經(jīng)使用幾乎沒(méi)有晶體 缺陷的極其昂貴的單晶硅(近乎完美的晶體)?？蛇x擇地，在單晶基板和將
要生長(zhǎng)的單晶薄膜之間形成一些緩沖層。諸如Si02、硅、GaN、 AlGaN、 InGaN或GaAs層等緩沖層，其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)具有在單晶基板和 將要生長(zhǎng)的單晶薄膜之間的中間值，這些緩沖層形成在單晶基板上，隨 后在緩沖層的表面上生長(zhǎng)單晶薄膜(參見(jiàn)JP 2004-048076A)。然而，這些改進(jìn)需要高的材料成本和工藝成本，在經(jīng)濟(jì)上是不利的。 在安全性和健康方面存在問(wèn)題，并且晶體缺陷的減少不充分。因此，它 們不能被實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種特別是在沒(méi)有使用特殊
基板的情況下容易地制備具有較少晶體缺陷的基板的方法；也提供使用 所述基板作為種子基板通過(guò)外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)制備單晶層、單晶 薄膜和單晶的方法，每一種具有較少的晶體缺陷。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種制備包括形成在作為處理基板 的基板上面或上方的單晶薄膜的基板的方法，所述方法包括
步驟A:提供供體基板和處理基板；
步驟B:在所述供體基板上生長(zhǎng)單晶層；
步驟C:將離子注入到所述供體基板上的單晶層中，形成離子注入
層；
步驟D:將注入離子的供體基板的單晶層的表面與所述處理基板的 表面粘合；和
步驟E:在存在于所述單晶層中的離子注入層處剝離粘合的供體基 板，從而在所述處理基板上面或上方形成單晶薄膜；
其中，通過(guò)使用所述的上面或上方形成有單晶薄膜的處理基板作為 供體基板，重復(fù)至少步驟A E。
根據(jù)本發(fā)明的制備方法，形成在供體晶片上的單晶層的上層部分被 轉(zhuǎn)移到處理晶片作為單晶薄膜。上層部分抵抗供體晶片表面上的缺陷影 響，并具有較少的晶體缺陷。此外，由于處理晶片反過(guò)來(lái)被用作供體晶 片，并在具有較少晶體缺陷的單晶薄膜上生長(zhǎng)單晶層，因此形成的單晶 層比在之前步驟中形成的單晶層具有更少的晶體缺陷。通過(guò)重復(fù)這些步 驟(A E)，形成在供體晶片上的單晶薄膜中的晶體缺陷進(jìn)一步減少，并且 最終，可以得到具有極少晶體缺陷的均勻單晶層的基板。根據(jù)本發(fā)明的制備方法，由于不需要制備特別昂貴的基板，并且不 需要進(jìn)行制備具有較少晶體缺陷的單晶薄膜的基板的特殊方法，因此可 以較低成本容易地制備具有較少晶體缺陷的單晶薄膜的基板。
本發(fā)明還提供一種制備在其上面包括單晶層的基板的方法，所述方 法包括在根據(jù)本發(fā)明的制備包括單晶薄膜的基板的方法所制備的基板上 的單晶薄膜上生長(zhǎng)單晶層的步驟。
由于根據(jù)本發(fā)明的方法所制備的基板的單晶薄膜具有極少的晶體缺 陷，因此當(dāng)在單晶薄膜上生長(zhǎng)單晶層時(shí)，可以防止由其上將要生長(zhǎng)單晶 層的基板表面的影響所造成的缺陷等。因此，可以形成具有較少晶體缺 陷的所希望厚度的單晶層。
本發(fā)明提供一種制備自維持的單晶薄膜的方法，所述方法包括以下 步驟
將離子注入到根據(jù)本發(fā)明的制備在其上包括單晶層的基板的方法所 制備的基板的單晶層中，形成離子注入層；和
在所述離子注入層處剝離，得到自維持的單晶薄膜。
當(dāng)通過(guò)離子注入法使根據(jù)本發(fā)明的方法所制備的具有厚單晶層的基 板上的厚單晶層的一部分被剝離以具有預(yù)定的厚度時(shí)，可以制備具有較 少晶體缺陷和高平滑度的自維持的單晶薄膜。
本發(fā)明提供一種制備單晶的方法，所述方法包括使用根據(jù)本發(fā)明的 方法所制備的包括單晶薄膜的基板、包括單晶層的基板或自維持的單晶 薄膜作為外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)用的種子基板的步驟。
由于根據(jù)本發(fā)明的方法制備的包括單晶薄膜的基板、包括單晶層的 基板和自維持的單晶薄膜具有較少或幾乎為零的晶體缺陷，因此當(dāng)包括 單晶薄膜的基板、包括單晶層的基板和自維持的單晶薄膜中的任一種用 作種子基板時(shí)，在外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)中由種子基板表面的缺陷所 造成的晶體缺陷非常少。因此，具有非常少晶體缺陷的單晶可以生長(zhǎng)為 具有所希望的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的制備單晶薄膜的方法，僅有具有相對(duì)較少晶體缺陷的
7單晶層的上層部分可以被轉(zhuǎn)移到基板作為單晶薄膜，并且通過(guò)在基板的 單晶薄膜上進(jìn)一步生長(zhǎng)單晶層，可以形成具有更少晶體缺陷的單晶層。 通過(guò)重復(fù)本發(fā)明的這些步驟，生長(zhǎng)的單晶層中的晶體缺陷可以進(jìn)一步減 少，并且最終，晶體缺陷可以減少到極少。特別是，還可以制備包括幾 乎沒(méi)有晶體缺陷的單晶薄膜的基板。此外，當(dāng)這樣獲得的基板被用作種 子基板時(shí)，可以接近消除外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)中發(fā)生晶體缺陷。


圖1是流程圖，顯示根據(jù)本發(fā)明用于制備包括單晶薄膜的基板的方 法的例子，其中，步驟(A):提供基板，步驟(B):生長(zhǎng)結(jié)晶層，步驟(C): 注入離子("aa"代表注入離子)，步驟(D):粘合，和步驟(E):剝離。
圖2是流程圖，顯示根據(jù)本發(fā)明用于制備包括單晶層的基板和用于 制備自維持的單晶薄膜的方法的例子，其中"aa"代表注入離子。
具體實(shí)施例方式
當(dāng)制備單晶薄膜或單晶基板時(shí)，存在的問(wèn)題在于，用作種子基板的 基板的位錯(cuò)缺陷繼續(xù)發(fā)生，并且在制得的單晶薄膜中發(fā)生晶體缺陷等。
本發(fā)明者已經(jīng)敏銳地研究了這個(gè)問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制備單 晶薄膜時(shí)，在生長(zhǎng)的第一半中生長(zhǎng)并接近單晶基板的部分中發(fā)生許多晶 體缺陷，而在生長(zhǎng)的后一半中生長(zhǎng)的部分中發(fā)生相對(duì)較少的晶體缺陷。
根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在供體基板上面或上方生長(zhǎng)單晶層，在單晶層 中形成離子注入層，并將單晶層與處理基板粘合，可以從下層部分(第一 半生長(zhǎng)部分)剝離在單晶層中具有相對(duì)較少晶體缺陷的上層部分(第二半 生長(zhǎng)部分)。本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在處理基板上形成具有較少晶體缺 陷的單晶薄膜，使用形成的具有單晶薄膜的基板作為供體基板，并重復(fù) 上述步驟，單晶薄膜中的晶體缺陷進(jìn)一步減少，并且最終，可以得到具
有極少缺陷的單晶薄膜；從而完成了本發(fā)明。
下面參照?qǐng)D1和圖2作為例子，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明制備包括單晶薄膜 的基板、包括單晶層的基板和自維持的單晶薄膜的方法。然而，本發(fā)明不應(yīng)被解釋為局限于此。
圖l是流程圖，顯示根據(jù)本發(fā)明用于制備包括單晶薄膜的基板的方 法的例子，其中，步驟(A):提供基板，步驟(B):生長(zhǎng)結(jié)晶層，步驟(C):
注入離子("aa"代表注入離子)，步驟(D):粘合，和步驟(E):剝離。圖2
是流程圖，顯示根據(jù)本發(fā)明用于制備包括單晶層的基板和用于使用通過(guò) 上述方法獲得的包括單晶薄膜的基板制備自維持的單晶薄膜的方法的例 子，其中"aa"代表注入離子。
首先，在圖1所示的步驟(A)中，提供供體基板11和處理基板12。
供體基板11或處理基板12的材料可以是硅、藍(lán)寶石、SiC、 GaN、 A1N和氧化鋅中的任何一種。在本發(fā)明中，這些材料可以相應(yīng)于將要制 作的半導(dǎo)體器件的用途適當(dāng)?shù)剡x擇。
根據(jù)將要生長(zhǎng)的單晶體的類型，優(yōu)選的是，供體基板ll和處理基板 12中的至少一個(gè)包括由Si02、 Si3N4、 GaN、 AlGaN、 InGaN、 A1N或其
組合形成的緩沖層。當(dāng)從上述材料中適當(dāng)?shù)剡x擇晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù) 接近于將要生長(zhǎng)的單晶層和供體基板之間的中間值的材料以形成緩沖層 時(shí)，可以生長(zhǎng)更高質(zhì)量單晶層。使用包括這樣緩沖層的基板，即使當(dāng)基 板和單晶層的材料不同時(shí)，也可以獲得高質(zhì)量的單晶層，并且可以減少
粘合和剝離步驟重復(fù)的次數(shù)。緩沖層的厚度優(yōu)選可以為0.01~10 pm。
將要提供的處理基板12優(yōu)選可以是表面粗糙度(Ra)為0.5 nm以下的 非晶基板、多晶基板和單晶基板之一。如果基板的表面粗糙度(Ra)為0.5 nm以下，那么可以抑制粘合界面中的空隙，使得基板可以更堅(jiān)固地粘合。 由于處理基板不用于在氣相中于其上生長(zhǎng)單晶層，因此處理基板不必須 是單晶體，從而也可以使用不太昂貴的多晶基板或非晶基板。例如，通 過(guò)蝕刻或CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)可以獲得所希望的表面粗糙度(Ra)。
接下來(lái)，在步驟(B)中，在供體基板ll上生長(zhǎng)單晶層13。
可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉積(PVD)法和液相外延 生長(zhǎng)法中的任一種進(jìn)行生長(zhǎng)。可以根據(jù)將要生長(zhǎng)的單晶層的類型適當(dāng)?shù)?選擇這些方法。在本發(fā)明的制備方法的優(yōu)選實(shí)施例中，可以從這些方法 中適當(dāng)?shù)剡x擇生長(zhǎng)單晶層的方法，并且通過(guò)使用這些方法中的任一種，可以減少生長(zhǎng)的單晶層中的晶體缺陷的數(shù)量。
將要生長(zhǎng)的單晶層13可以由硅、SiC、 GaN、 A1N、氧化鋅和金剛石 中的任一種形成?？梢愿鶕?jù)將要制作的半導(dǎo)體器件的用途適當(dāng)?shù)剡x擇單 晶層的種類。即使在常規(guī)容易出現(xiàn)晶體缺陷的單晶層的情況下，根據(jù)本 發(fā)明也可以減少晶體缺陷。從減少生長(zhǎng)界面中的晶體缺陷的觀點(diǎn)來(lái)看， 單晶層的厚度可以優(yōu)選為0.2~200 pm。
在步驟(C)中，離子被注入到形成在供體基板11上的單晶層13中， 形成離子注入層14。
氫離子和/或惰性氣體離子以離子平均入侵深度被注入到單晶層13 中，形成平行于單晶層13表面的離子注入層(微泡層)14。注入溫度可以 優(yōu)選為25°C~450°C。根據(jù)本發(fā)明，由于離子注入層14形成在單晶層13 中，因此具有相對(duì)較少晶體缺陷的上層部分(第二半生長(zhǎng)部分)可以通過(guò)剝 離被轉(zhuǎn)移到處理基板，從而形成單晶薄膜。可以選擇注入離子的深度， 使得在剝離后可以獲得所需的單晶薄膜厚度(例如，0.1~100pm)。在本發(fā) 明制備方法的優(yōu)選實(shí)施例中，可以從這些離子中適當(dāng)?shù)剡x擇將要注入的 離子。
在步驟(D)中，具有離子注入層的供體基板11與處理基板12粘合。
優(yōu)選的是，供體基板11的單晶層13的表面和處理基板的表面中的 至少一個(gè)在粘合之前進(jìn)行等離子體處理?；宓牡入x子體處理的表面被 活化，使得OH基團(tuán)的數(shù)量增加。因此，當(dāng)基板與另一個(gè)基板緊密連接 時(shí)，各基板可以通過(guò)氫鍵等更堅(jiān)固地粘合。在等離子體處理中，例如， 通過(guò)RCA清洗等清潔的處理基板12被放置在真空室中，等離子體用氣 體被引入其中，并且處理基板12暴露于約100 W的高頻等離子體5 10 分鐘，從而在表面上進(jìn)行等離子體處理。等離子體用氣體可以包括氫氣、 氬氣、氮?dú)夂退鼈兊幕旌蠚怏w。
可以加熱(例如在200~450°C下)粘合的基板，因?yàn)橥ㄟ^(guò)加熱可以增 強(qiáng)粘合的基板的粘合。當(dāng)進(jìn)行等離子體處理時(shí)，即使通過(guò)在相對(duì)較低的 溫度(例如50 200。C)下加熱也可以堅(jiān)固地粘合各基板。
此外，在步驟(D)之前，供體基板ll上的單晶層13的表面可以優(yōu)選被平滑化。當(dāng)表面平滑時(shí)，可以減少粘合界面中空隙等的出現(xiàn)，使得基 板可以堅(jiān)固地粘合。平滑方法可以包括例如拋光和退火。當(dāng)使用單晶硅
層時(shí)，例如，可以在1100 1300。C下1至IO小時(shí)，以使單晶層的表面平 滑。
接下來(lái)，在步驟(E)中，通過(guò)在離子注入層14處剝離可以獲得其上 形成有單晶薄膜15的處理基板12。剝離方法可以包括例如在約500°C 以上的溫度下在惰性氣體中的熱處理，使得通過(guò)晶體的重排和氣泡的聚 集，基板在離子注入層處分離。另一種剝離方法可以包括例如施加機(jī)械 外力。用于剝離的機(jī)械裝置可以包括但不限于用于將諸如氣體或液體等 流體吹到離子注入層那側(cè)的流體鼓風(fēng)機(jī)和施加物理沖擊的沖擊裝置。
因此，如果通過(guò)使用離子注入法的熱處理或機(jī)械裝置進(jìn)行剝離步驟， 那么可以獲得具有平滑的剝離表面的基板。
由于通過(guò)步驟(A) (E)獲得的基板12上的單晶薄膜15是通過(guò)將形成 在供體基板11上的單晶層13的上層部分(第二半生長(zhǎng)部分)轉(zhuǎn)移到處理基 板12上形成的，因此晶體缺陷相對(duì)較少。在本發(fā)明中，反過(guò)來(lái)使用這樣 制得的具有較少晶體缺陷的單晶薄膜15的處理基板12作為供體基板， 重復(fù)步驟(A) (E)。通過(guò)在晶體缺陷減少的單晶薄膜上生長(zhǎng)單晶層，可以 生長(zhǎng)晶體缺陷進(jìn)一步減少的單晶層。因此，通過(guò)重復(fù)這些步驟，可以大 大減少單晶薄膜的晶體缺陷，并且最終，可以制備甚至具有幾乎沒(méi)有晶 體缺陷的單晶薄膜的基板。
在步驟(E)的剝離之后，處理基板12上的單晶薄膜15的表面可以優(yōu) 選被平滑化。因此，當(dāng)具有平滑化的單晶薄膜15的表面的基板12隨后 被用作供體基板時(shí)，可以有效地減少將要生長(zhǎng)的單晶層中的晶體缺陷。 通過(guò)平滑化處理基板上的單晶硅膜的表面并隨后在作為供體晶片的單晶 薄膜的平滑化表面上生長(zhǎng)單晶層，可以形成具有更少晶體缺陷的平滑單 晶層°
如圖2中的步驟(f)和(g)所示，在本發(fā)明中，在通過(guò)重復(fù)圖l所示的 步驟(A) (E)獲得的具有所希望的晶體缺陷密度的單晶薄膜15的基板12 上，可以生長(zhǎng)單晶層16。通過(guò)在根據(jù)本發(fā)明方法制備的幾乎沒(méi)有晶體缺陷的單晶薄膜上生長(zhǎng)單晶層，可以形成幾乎沒(méi)有位錯(cuò)缺陷的高質(zhì)量的單
晶層。這樣制備的具有單晶層16的基板12可以優(yōu)選進(jìn)行退火處理。因 此，單晶層16的表面可以被平滑化并進(jìn)一步均勻化，從而可以減少晶體 缺陷。當(dāng)使用單晶硅層時(shí)，例如，可以在1100 1300。C下1至10小時(shí)， 以減少晶體缺陷。
如圖2的步驟(g) (i)所示，形成在根據(jù)本發(fā)明方法制備的具有單晶 薄膜15的基板12上的單晶層16可以形成為具有足夠的厚度。因此，通 過(guò)在單晶層16中形成離子注入層14并剝離，可以制備自維持的單晶薄 膜17。自維持的薄膜的厚度沒(méi)有特別限制，可以例如為1-1000 pm。這 樣制備的自維持的單晶薄膜17可以幾乎沒(méi)有晶體缺陷，并且可以具有高 平滑度。此外，通過(guò)使自維持的單晶薄膜17退火，單晶薄膜可以具有進(jìn) 一步平滑化的表面，并進(jìn)一步均勻化，從而可以減少晶體缺陷。當(dāng)使用 單晶硅層時(shí)，例如，可以在1100 1300。C下，以減少晶體缺陷。
此外，根據(jù)本發(fā)明方法制備的包括單晶薄膜的基板、包括單晶層的 基板和自維持的單晶薄膜中的任一種均可以用作外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生 長(zhǎng)用的種子基板。
根據(jù)本發(fā)明方法得到的單晶薄膜、單晶層和自維持的單晶薄膜幾乎 沒(méi)有晶體缺陷。因此，通過(guò)使用包括單晶薄膜的基板、包括單晶層的基 板和自維持的單晶薄膜作為種子基板，在外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)中幾
乎沒(méi)有發(fā)生由種子基板表面的缺陷所造成的晶體缺陷。因此，可以生長(zhǎng) 幾乎沒(méi)有晶體缺陷的單晶。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的制備單晶薄膜的方法，僅有具有相對(duì)較少 晶體缺陷的生長(zhǎng)的單晶層的上層部分可以被轉(zhuǎn)移到基板，以在基板上面 或上方形成單晶薄膜。通過(guò)在基板的單晶薄膜上進(jìn)一步生長(zhǎng)單晶層，可 以形成具有更少晶體缺陷的單晶層。通過(guò)重復(fù)本發(fā)明的這些步驟，單晶
薄膜中的晶體缺陷可以進(jìn)一步減少，并且最終，可以制備包括具有極少 晶體缺陷的單晶薄膜的基板。此外，當(dāng)這樣獲得的基板被用作種子基板 時(shí)，可以得到單晶層、單晶薄膜和單晶，每一種都幾乎沒(méi)有晶體缺陷。
實(shí)施例通過(guò)結(jié)合以下實(shí)施例進(jìn)一步具體地說(shuō)明本發(fā)明。然而，本發(fā)明不應(yīng) 被解釋為局限于此。
<實(shí)施例1>
根據(jù)如圖1所示的步驟制備具有金剛石薄膜的基板。
在圖1的步驟(A)中，提供直徑為6英寸(150 mm)和厚度為625 pm 的硅單晶基板作為供體基板11和處理基板12。通過(guò)使用原子力顯微鏡 (AFM)測(cè)量，所制備的處理基板12的表面粗糙度(Ra)為0.3 nm。
在圖1的步驟(B)中，將供體基板11置于2.45 GHz的微波等離子體 裝置中，并在30 Torr (4,000 Pa)和850°C的條件下進(jìn)行等離子體CVD， 同時(shí)通入含有2體積％甲垸的氫氣。結(jié)果，金剛石層13生長(zhǎng)至厚度為15 |iim。
在圖1的步驟(C)中，劑量為5xlO力cii^的氫離子被注入生長(zhǎng)在供體 基板11上的金剛石層13中，這樣在距表面深度為500 nm處形成離子注 入層14。
在圖1的步驟(D)中，供體基板11與處理基板12緊密連接，并使用 紅外線燈加熱至250。C，以使它們堅(jiān)固地粘合。
在圖1的步驟(E)中，粘合的基板在600。C下進(jìn)行熱處理，以在氫離 子注入層處剝離。制得包括厚度為500 nm的金剛石薄膜15的硅單晶基 板12。
使用這樣制得的包括金剛石薄膜15的硅單晶基板12作為供體基板， 并重復(fù)上述步驟(A) (E)三次，獲得包括金剛石薄膜的基板，通過(guò)使用透 射電子顯微鏡(TEM)的橫斷面觀察(放大100,000倍)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有晶體缺 陷。
此后，在步驟(f)和(g)中，以與實(shí)施例1的步驟(B)相同的方式，在基 板12的金剛石薄膜15上生長(zhǎng)厚度為16 pm的金剛石層，并在1,200°C 下進(jìn)行退火處理3小時(shí)。這樣獲得的包括金剛石層的硅基板適合于具有 高擊穿電壓的功率晶體管。
13<實(shí)施例2>
在圖1的步驟(A)中，提供直徑為4英寸(100 mm)和厚度為400 pm 的合成的石英基板作為供體基板11。通過(guò)在合成的石英基板上進(jìn)行反應(yīng) 濺射，疊置厚度為1 pm的AlN緩沖層。提供直徑為4英寸(100 mm)的 藍(lán)寶石基板作為處理基板12。通過(guò)使用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量，處理 基板12的表面粗糙度(Ra)為0.38 nm。
在圖1的步驟(B)中，以HVPE(氫化物氣相外延)法，使用氨水和氯 化鎵，在作為載氣的氧氣的存在下，在1,050°C下，在大氣壓力下，在 供體基板11上的緩沖層的表面上生長(zhǎng)厚度為8 pm的GaN單晶層13。
在圖1的步驟(C)中，劑量為9xl0"/cr^的氫離子被注入生長(zhǎng)在供體 基板11上的GaN單晶層13中，這樣在距表面深度為800 nm處形成離 子注入層14。
在圖1的步驟(D)中，使用等離子體用氣體(Ar/N2)，對(duì)供體基板11 上的GaN單晶層13的表面和處理基板12的表面進(jìn)行等離子體處理，其 后，緊密連接，并使用電加熱器加熱至180°C，以使它們堅(jiān)固地粘合。
在圖1的步驟(E)中，使用刮刀和真空卡盤(pán)在氫離子注入層處剝離粘 合的基板，得到包括厚度為800 nm的GaN單晶薄膜15的藍(lán)寶石基板12。
剝離后的藍(lán)寶石基板12 (處理基板)上的GaN單晶薄膜15的位錯(cuò)密 度為2xl0Vcm2，合成的石英基板ll(供體基板)上的GaN單晶薄膜15的 位錯(cuò)密度為8xl0Vcm2。剝離前作為單晶層13的上層部分的GaN單晶薄 膜15的位錯(cuò)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶層13的單晶的下部的位錯(cuò)密度。位錯(cuò)密 度是指穿過(guò)單晶薄膜1 cii^面積的位錯(cuò)數(shù)量，并基于TEM照片計(jì)算。
使用這樣制得的包括GaN單晶薄膜15的藍(lán)寶石基板12作為供體基 板，并重復(fù)上述步驟(A) (E)四次，獲得包括位錯(cuò)密度幾乎為零的GaN單 晶薄膜的基板。
此后，在圖2的步驟(f)和(g)中，以與實(shí)施例2的步驟(B)相同的方式， 在基板12的GaN單晶薄膜15上生長(zhǎng)厚度為7 pm的GaN單晶層16。結(jié) 果，獲得包括位錯(cuò)密度幾乎為零的GaN單晶層16的基板。進(jìn)一步地，在圖2的步驟(g) (i)中，以與實(shí)施例2的步驟(C)中形成 離子注入層14相同的方式，將離子注入所制備的藍(lán)寶石基板12的GaN 單晶層16中，除了在距表面深度為2,000 nm處形成離子注入層14。其 后，以與步驟(E)相同的方式，在離子注入層14處剝離基板，得到僅由 厚度為2,000 nm的GaN單晶形成的自維持的單晶薄膜17。對(duì)于這樣得 到的自維持的單晶薄膜17，沒(méi)有觀察到晶體缺陷和畸變。自維持的單晶 薄膜17適合于藍(lán)色激光器用基板。
這樣獲得的厚度為2,000 nm的GaN的自維持的單晶薄膜17被置于 高壓釜中作為種子基板，同時(shí)放置0.3g的6-N金屬鎵、10g的5-N疊氮 化鈉和40 g的5-N氨水。晶體在500。C下生長(zhǎng)10天。結(jié)果，生長(zhǎng)為幾 乎沒(méi)有晶體缺陷的約lmm的GaN塊狀單晶。當(dāng)使用從GaN塊狀單晶切 下的基板制作HEMT(高電子遷移率晶體管)時(shí)，其高頻特性極為優(yōu)異。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方法，單晶薄膜的晶體缺陷可以可靠地減 少，并且最終，還可以獲得幾乎沒(méi)有晶體缺陷的單晶薄膜。此外，包括 這樣獲得的單晶薄膜的基板最適合作為外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)用的種 子基板。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。上述實(shí)施例僅是例子，與權(quán)利要求書(shū)中
所述技術(shù)構(gòu)思大致具有相同構(gòu)造并提供同樣操作效果的任何內(nèi)容均包括 在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種制備包括形成在處理基板上面或上方的單晶薄膜的基板的方法，所述方法包括步驟A提供供體基板和處理基板；步驟B在所述供體基板上生長(zhǎng)單晶層；步驟C將離子注入到所述供體基板上的單晶層中，形成離子注入層；步驟D將注入離子的供體基板的單晶層的表面與所述處理基板的表面粘合；和步驟E在存在于所述單晶層中的離子注入層處剝離粘合的供體基板，從而在所述處理基板上面或上方形成單晶薄膜；其中，通過(guò)使用所述的上面或上方形成有單晶薄膜的處理基板作為供體基板，重復(fù)至少步驟A～E。
2. 如權(quán)利要求l所述的制備包括單晶薄膜的基板的方法，其中，所 述的剝離步驟E包括使用熱處理或機(jī)械裝置在所述離子注入層處剝離粘 合的供體基板。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的制備包括單晶薄膜的基板的方法，其中， 所述的注入步驟C包括注入氫離子和/或惰性氣體離子。
4. 如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，所述的粘合步驟D包括將表面已經(jīng)平滑化的單晶層的表面與 所述處理基板的表面粘合。
5. 如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，在所述步驟E之后，將在所述的剝離步驟E中得到的所述處 理基板上面或上方的單晶薄膜的表面平滑化。
6. 如權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方法，其中，所述的生長(zhǎng)步驟B包括化學(xué)氣相沉積(CVD)法、物理氣相沉 積(PVD)法或液相外延生長(zhǎng)法。
7. 如權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，所述供體基板或所述處理基板包括硅、藍(lán)寶石、SiC、 GaN、 A1N或氧化鋅。
8. 如權(quán)利要求1~7中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，所述的提供步驟A包括提供選自非晶基板、多晶基板和單晶 基板的處理基板，并且對(duì)于將要在步驟D中粘合的表面，表面粗糙度(Ra) 為0.5 nm以下。
9. 如權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，所述的提供步驟A包括提供包括選自Si02、Si3N4、GaN、AlGaN、 InGaN、 A1N及其組合的一個(gè)以上的緩沖層的供體基板和/或處理基板。
10. 如權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，所述的生長(zhǎng)步驟B包括生長(zhǎng)硅、SiC、 GaN、 A1N、氧化鋅和 金剛石中的任一種的單晶層。
11. 如權(quán)利要求1~10中任一項(xiàng)所述的制備包括單晶薄膜的基板的方 法，其中，所述的粘合步驟D包括將所述單晶層的表面與所述處理基板 的表面粘合，并且所述表面中的一個(gè)或兩個(gè)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)等離子體處理。
12. —種制備在其上包括單晶層的基板的方法，所述方法包括在根 據(jù)權(quán)利要求1~11中任一項(xiàng)所述的方法所制備的基板上的單晶薄膜上生長(zhǎng) 單晶層的步驟。
13. 如權(quán)利要求12所述的制備包括單晶層的基板的方法，還包括使 包括生長(zhǎng)的單晶層的基板退火的步驟。
14. 一種制備自維持的單晶薄膜的方法，所述方法包括以下步驟將離子注入到根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法所制備的基板的單 晶層中，形成離子注入層；和在所述離子注入層處剝離，得到自維持的單晶薄膜。
15. 如權(quán)利要求14所述的制備自維持的單晶薄膜的方法，還包括使 所述剝離步驟中得到的所述自維持的單晶薄膜退火的步驟。
16. —種制備單晶的方法，所述方法包括使用根據(jù)權(quán)利要求1~15中 任一項(xiàng)所述的方法所制備的包括單晶薄膜的基板、包括單晶層的基板或 自維持的單晶薄膜作為外延生長(zhǎng)或塊狀晶體生長(zhǎng)用的種子基板的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在沒(méi)有使用特殊基板的情況下容易地制備幾乎沒(méi)有晶體缺陷的包括在上面或上方的單晶薄膜的基板的方法。更具體地說(shuō)，提供一種制備包括形成在處理基板的上面或上方的單晶薄膜的基板的方法，所述方法包括步驟A提供供體基板和處理基板；步驟B在所述供體基板上生長(zhǎng)單晶層；步驟C將離子注入到所述供體基板上的單晶層中，形成離子注入層；步驟D將注入離子的供體基板的單晶層的表面與所述處理基板的表面粘合；和步驟E在存在于所述單晶層中的離子注入層處剝離粘合的供體基板，從而在所述處理基板上面或上方形成單晶薄膜；其中，通過(guò)使用所述的上面或上方形成有單晶薄膜的處理基板作為供體基板，重復(fù)至少步驟A～E。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101521155SQ20091011781
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者久保田芳宏, 川合信, 田中好一, 秋山昌次, 野島義弘, 飛坂優(yōu)二 申請(qǐng)人:信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社