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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur epitaktischen Abscheidung von Atomen oder Molekülen aus einem Reaktivgas auf einer Abscheidungsoberfläche eines Substrats.
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Ferner wird eine entsprechende Vorrichtung beschrieben, mit:
einer Heizvorrichtung zur Zuführung einer Energiemenge in das Substrat durch Aufheizen wenigstens der Abscheidungsoberfläche;
einer Reaktivgas-Zuführvorrichtung zur Leitung des Reaktivgases auf die aufgeheizte Oberfläche des Substrats.
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Stand der Technik
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Verfahren zur Abscheidung, insbesondere zur epitaktischen Abscheidung von Atomen aus einem Reaktivgas auf einer Abscheidungsoberfläche eines Substrats sind bekannt. Insbesondere werden derartige Verfahren zur Abscheidung von Silicium oder Siliciumkarbid aus der Gasphase auf einem Substrat vorgesehen. Hierzu wird ein geeignetes Reaktivgas auf eine erwärmte Abscheidungsoberfläche eines vorzugsweise in einer Vakuumkammer angeordneten Substrats geleitet. Bei einem derartigen, auch als „Chemical Vapor Deposition” (CVD) bezeichneten Abscheidungsverfahren beträgt die Mindesttemperatur der Abscheidungsoberfläche des Substrats bei technisch üblichen Anlagen hinsichtlich der Siliciumabscheidung etwa 1000°C und hinsichtlich der Siliciumkarbidabscheidung ca. 1600°C. Derartig hohe Temperaturen auf der Abscheidungsoberfläche des Substrats sind notwendig, um die nach dem Auftreffen des Reaktivgases auf der Abscheidungsoberfläche aus der Gasphase zu adsorbierenden Atome des Reaktivgases thermisch zu aktivieren. Derart aktivierte Atome sind durch eine erhöhte Eigenbeweglichkeit gekennzeichnet, wobei sie bei ausreichender Eigenbeweglichkeit in die Lage versetzt werden, sich den Gitterplätzen eines Wirtssubstrats anzupassen. In dieser Weise wird ein erwünschtes, einkristallines Schichtwachstum auf der Abscheidungsoberfläche des Substrats erhalten.
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Die verhältnismäßig hohen Betriebstemperaturen bei derartigen Abscheidungsverfahren haben den Nachteil, daß lediglich Substrate aus thermisch hochstabilem Material für eine Abscheidung eingesetzt werden können. Ferner können insbesondere bei Silciumkarbid-Abscheidungen die Abscheidungsanlagen nicht aus einem vorteilhafterweise in bezug auf den Abscheidungsprozeß neutralen Quarzmaterial hergestellt werden, da dieses Material bei derartig hohen Betriebstemperaturen eine nicht genügend hohe Festigkeit aufweist. Ein Einsatz von hochtemperaturfestem Graphit als Konstruktionsmaterial für Abscheidungsanlagen dieser Art ist nicht optimal, da Graphit den Innenraum der Abscheidungsanlagen verschmutzt, was bei derartig störungsanfälligen Abscheidungsprozessen bis hin zu einem nicht akzeptablen Abscheidungsergebnis führen würde.
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In der Druckschrift
US 5,858,100 ist ein epitaktisches Abscheideverfahren offenbart, bei welchem ionisiertes Inertgas und Reaktivgas einer Abscheidungsoberfläche zugeführt werden, während das Substrat auf einem entsprechenden Substrathalter mithilfe einer Heizvorrichtung erwärmt wird. Ähnliche Verfahren sind auch aus den Druckschriften
US 6,087,614 und
US 6,431,114 B1 bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Merkmale des Anspruchs 1 und ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- – Zuführen einer ersten Energiemenge durch Aufheizen wenigstens der Abscheidungsoberfläche, wobei die erste Energiemenge geringer ist als die zur epitaktischen Abscheidung von Atomen oder Molekülen des Reaktivgases auf der Abscheidungsoberfläche notwendige Energiemenge;
- – Leiten eines ionisierten Inertgases zumindest zeitweise auf die Abscheidungsoberfläche zur zumindest zeitweisen Zuführung einer zweiten Energiemenge durch Einwirken von Ionen des ionisierten Inertgases auf die Abscheidungsoberfläche, wobei die erste Energiemenge und die zweite Energiemenge sich zumindest zeitweise zu einer Gesamtenergiemenge addieren, die zur epitaktischen Abscheidung von Atomen oder Molekülen des Reaktivgases auf die Abscheidungsoberfläche ausreicht.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß durch die Zuführung der zweiten Energiemenge und das Einwirken der Inertgas-Ionen auf die Abscheidungsoberfläche die zur epitaktischen Schichtabscheidung notwendige thermische Energiezuführung durch Aufheizen der Abscheidungsoberfläche des Substrats niedriger sein kann als bei bisher bekannten Abscheidungsverfahren, bei welchen ausschließlich eine thermische Energiezuführung zur Erzielung der erforderlichen Abscheidungstemperatur auf der Abscheidungsoberfläche des Substrats vorgesehen ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch das Einwirken der Ionen des ionisierten Inertgases auf die Substratoberfläche den dort aus der Gasphase zu adsorbierenden Atomen des Reaktivgases eine epitaktische Abscheidung begünstigende, zusätzliche Aktivierungsenergie bereitgestellt wird, welche sich mit der ersten, thermisch zugeführten Energiemenge zu einer Gesamtenergiemenge addiert. Durch diese auf die Abscheidungsoberfläche zugeführte Gesamtenergiemenge, die aus zwei sich einander addierenden und voneinander getrennt auf die Abscheidungsoberfläche zuführbaren Energiemengen gebildet wird, wird die Beweglichkeit der auf der Abscheidungsoberfläche abzuscheidenden Atome des Reaktivgases derart erhöht, daß diese Atome sich den Gitterplätzen des als Wirt dienenden Substrats anpassen können, so daß Epitaxie, d. h. einkristallines Schichtwachstum entsteht. Die der Abscheidungsoberfläche zugeführte Gesamtenergiemenge ist somit ausreichend, um als Aktivierungsenergie eine epitaktische Abscheidung der Atome des Reaktivgases auf der Abscheidungsoberfläche des Substrats zu gewährleisten, wobei vorteilhafterweise die durch Aufheizen der Abscheidungsoberfläche des Substrats zu erzielende Temperatur im Vergleich zu derjenigen bekannter Abscheidungsverfahren niedriger sein kann. Dies ermöglicht den Einsatz von thermisch instabilen Substraten zur Schichtabscheidung, wie zum Beispiel Substrate aus porösem Silicium oder aus porösem Siliciumkarbid, wobei gleichzeitig Abscheidungsanlagen aus Quarz einsetzbar sind, die bei den nun verhältnismäßig niedrigen, nach der Aufheizung der Abscheidungsoberfläche des Substrats sich einstellenden Abscheidungstemperaturen eine ausreichend hohe Eigenstabilität aufweisen und den Abscheidungsprozeß nicht durch Verschmutzungen, welche zum Beispiel bei Einsatz von hochtemperaturfestem Graphit als Anlagenmaterial auftreten würden, negativ beeinflußt.
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Erfindungsgemäß werden die erste Energiemenge und die zweite Energiemenge voneinander zeitlich getrennt der Abscheidungsoberfläche zugeführt. Durch eine derartige zeitliche Trennung der Zuführung der beiden Energiemengen läßt sich verfahrenstechnisch in einfacher und zuverlässiger Weise eine kontrollierte und präzise Energiezuführung auf die Abscheidungsoberfläche zur Bereitstellung einer für die Abscheidung von Atomen des Reaktivgases auf der Abscheidungsoberfläche ausreichenden Aktivierungsenergie erzielen. Vorzugsweise wird der Abscheidungsoberfläche zunächst thermische Energie (erste Energiemenge) zugeführt. Erst nach Erreichen der gewünschten Temperatur an der Abscheidungsoberfläche wird das ionisierte Inertgas auf Selbige geleitet zur Zuführung der zweiten Energiemenge.
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Vorteilhafterweise wird das ionisierte Inertgas in bezug auf das Reaktivgas getrennt in Richtung Abscheidungsoberfläche geleitet. Durch die in bezug auf das Reaktivgas separate Zuführung des ionisierten Inertgases in Richtung Abscheidungsoberfläche wird zum einen verhindert, daß sich das ionisierte Inertgas mit dem Reaktivgas in einem hinreichend großen Zeitraum derart vermischt, daß es zu unerwünschten Gasphasenreaktionen zwischen den beiden Gasen vor deren Auftreffen auf die Abscheidungsoberfläche kommt. Ferner ermöglicht die separate Zuführung der beiden Gase in Richtung Abscheidungsoberfläche, daß sowohl das Reaktivgas als auch das ionisierte Inertgas in einstellbarer und optimaler Weise auf die gesamte Abscheidungsoberfläche möglichst gleichmäßig verteilt geleitet werden.
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Vorzugsweise wird das ionisierte Inertgas gleichzeitig mit dem Reaktivgas auf die Abscheidungsoberfläche geleitet. Durch ein gleichzeitiges Zuführen der beiden Gase auf die Abscheidungsoberfläche fällt die Gesamtzeit des Abscheidungsprozesses vorteilhafterweise gering aus.
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Erfindungsgemäß werden alternativ oder zusätzlich zu der zeitlich voneinander getrennten Zuführung der ersten und der zweiten Energiemenge das ionisierte Inertgas und das Reaktivgas voneinander zeitlich getrennt auf die Abscheidungsoberfläche geleitet, wobei jeweils pro Abscheidungszyklus zuerst das ionisierte Inertgas und anschließend das Reaktivgas, oder zuerst das Reaktivgas und anschließend das ionisierte Inertgas, der Abscheidungsoberfläche zugeführt werden. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise der zur Beschichtung eingesetzten Anlage, da lediglich eine einzige und gemeinsame Gaszuführvorrichtung für das Inertgas, beziehungsweise für das ionisierte Inertgas, und das Reaktivgas vorgesehen werden muß, wobei in dieser gemeinsamen Zuführvorrichtung eine Ionisiereinheit vorgesehen sein kann, welche bei Zuführung von Inertgas in Betrieb ist, um ionisiertes Inertgas zu erzeugen, und bei Zuführung von Reaktivgas außer Betrieb geschaltet ist. Weiterhin wird durch eine zeitlich getrennte Zuführung von ionisiertem Inertgas und (nicht-ionisiertem) Reaktivgas die Bildung von nicht erwünschten Gasphasenreaktionen zwischen den beiden Gasen oder innerhalb des Reaktivgases auf einfache und zuverlässige Weise verhindert.
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Vorteilhafterweise werden das ionisierte Inertgas und das Reaktivgas voneinander zeitlich getrennt in alternierender Abfolge auf die Abscheidungsoberfläche geleitet. Hierbei ist es möglich, daß ionisierte Inertgase und das Reaktivgas in kurzen Einzelschritten einander abwechselnd in verhältnismäßig rascher Abfolge auf die Abscheidungsoberfläche zu leiten. Dabei erfolgt das An- und Abschalten der Ionisiereinheit alternierend in bezug auf die Reaktivgas Zufuhr und synchron in bezug auf die Inertgaszufuhr. Dies bedeutet, daß die Ionisiereinheit ausgeschaltet ist, wenn Reaktivgas auf die Abscheidungsoberfläche zugeführt wird, bzw. die Reaktivgaszufuhr auf die Abscheidungsoberfläche unterbrochen ist, wenn bei eingeschalteter Ionisiereinheit ionisiertes Inertgas auf die Abscheidungsoberfläche zugeführt wird. In dieser Weise können das ionisierte Inertgas und das Reaktivgas voneinander zeitlich getrennt und alternierend auf die Abscheidungsoberfläche geleitet werden, wobei die Abfolge der Zuführung der beiden Gase auf die Abscheidungsoberfläche verhältnismäßig einfach zu steuern und zu kontrollieren ist. Es ist ferner möglich, das Inertgas kontiunierlich und somit nicht alternierend auf die Abscheidungsoberfläche zu leiten, wobei lediglich die An- und Ausschaltung der Ionisiereinheit und die Zufuhr des Reaktivgases auf die Abscheidungsoberfläche in geeigneter Weise zueinander alternierend geschaltet werden. Auch bei dieser Alternative wird eine zeitlich getrennte und alternierende Zuführung des ionisierten Inertgases und des Reaktivgases auf die Abscheidungsoberfläche erhalten.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform werden das ionisierte Inertgas und das Reaktivgas voneinander räumlich getrennt in Richtung Abscheidungsoberfläche geleitet. Durch die räumlich getrennte Zuführung der beiden Gase in Richtung Abscheidungsoberfläche können das ionisierte Inertgas und das Reaktivgas gleichzeitig in Richtung Abscheidungsoberfläche geleitet werden, ohne daß es vorher zu unerwünschten Gasphasenreaktionen zwischen dem Inertgas beziehungsweise dem ionisierten Inertgas, einerseits, und dem Reaktivgas andererseits kommen kann. Durch geeignete Ausbildung der jeweiligen Gaszuführvorrichtung können das ionisierte Inertgas und das Reaktivgas derart getrennt voneinander auf die Abscheidungsoberfläche geleitet werden, daß eine überaus starke und/oder während eines verhältnismäßig längeren Zeitraums erfolgende Vermischung der beiden Gase vor deren Auftreffen auf die Abscheidungsoberfläche unter Ausbildung nicht erwünschter Gasphasenreaktionen vermieden oder wenigstens reduziert werden.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Ionisierung des Inertgases in bezug auf das Reaktivgas separat. Bei einer separaten Ionisierung des Inertgases werden unter Ausschluß des Reaktivgases unerwünschte Gasphasenreaktionen zwischen diesen beiden Gasen ausgeschlossen. Bei derartigen Abscheidungsverfahren sind Oberflächenreaktionen zwischen dem ionisierten Inertgas beziehungsweise zwischen dem Reaktivgas und der Abscheidungsoberfläche erwünscht. Jedoch sind Gasphasenreaktionen zwischen dem Inertgas beziehungsweise dem ionisierten Inertgas, einerseits, und dem Reaktivgas andererseits, vor, während und nach der Ionisierung des Inertgases zu vermeiden, da solche Gasphasenreaktionen eine derartige Schichtabscheidung negativ beeinträchtigen würden. Auch eine Gasphasenreaktion, die nur das Reaktivgas betrifft, würde ein korrektes Schichtwachstum unmöglich machen. Die Ionisierung des Inertgases, und dementsprechend auch die Zuführung desselben in Richtung Abscheidungsoberfläche, erfolgt somit in bezug auf das Reaktivgas vorzugsweise separat, wobei eine Vermischung der beiden Gase, das heißt zwischen dem ionisierten Inertgas und dem Reaktivgas, vorteilhafterweise erst kurz und vorzugsweise unmittelbar vor Auftreffen der beiden Gase auf die Abscheidungsoberfläche erfolgen soll. Unterstützt werden kann die räumliche Trennung durch eine zusätzliche zeitliche Trennung von Reaktivgaszufuhr und Ionisierung des Inertgases, wobei die Reaktivgaszufuhr und die Ionisierung des Inertgases beispielsweise zueinander alternierend erfolgen kann.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird das Inertgas mittels einer Mikrowellen-Plasmaquelle ionisiert. Mittels einer Mikrowellen-Plasmaquelle wird das Inertgas zu einem hochdichten Plasma mit Ionen und Elektronen niedriger Energie generiert. Auf diese Weise wird eine Schädigung der Abscheidungsoberfläche aufgrund einer zu großen Energiezuführung durch das ionisierte Inertgas vermieden. Eine derartige Schädigung der Abscheidungsoberfläche des Substrats wird als „Iondamage” bezeichnet. Durch die Anwendung einer Mikrowellen-Plasmaquelle wird die thermisch induzierte Defektdichte im Substratmaterial an der Abscheidungsoberfläche möglichst klein gehalten. Weiterhin weist ein als Mikrowellenplasma ausgebildetes ionisiertes Inertgas grundsätzlich den Vorteil auf, daß zur Plasmaerzeugung in der Nähe des Plasmas keine hohen Spannungen benötigt werden, welche wiederum zu schädlichen Nebeneffekten in bezug auf den Abscheidungsprozeß aufgrund einer kapazitiven Kopplung in das Plasma führen. Da hohe Spannungen in der Nähe des Plasmas eine entsprechende Beschleunigung von Elektronen und Ionen des ionisierten Inertgases bewirken, kann es zu Beschädigungen des Substrats an der Abscheidungsoberfläche und/oder zu einer negativen Beeinträchtigung des Schichtwachstums und der Schichtqualität kommen. Derartige nachteilhafte Einflüsse auf den Abscheidungsprozeß werden durch die Verwendung einer Mikrowellen-Plasmaquelle zur Ionisierung des Inertgases vermieden. Vorteilhafterweise läßt sich mit einer Mikrowellen-Plasmaquelle ein großvolumiges, homogenes Mikrowellenplasma erzeugen mit niedriger Ionen/Elektronenenergie, hoher Dichte und niedrigem Plasmapotential. Vorteilhafterweise werden zur Erzeugung eines Mikrowellenplasmas keine Elektroden eingesetzt, so daß auch keine unerwünschten Verunreinigungen durch abgetragenes Elektrodenmaterial auftreten können.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird das Inertgas mittels einer Surfatronquelle ionisiert. Bei einer Surfatronquelle wird ein ein Plasma erzeugendes Mikrowellenfeld entlang eines Quarzsurfatrons in einer Grenzschicht zwischen Plasma und Quarzwandmaterial geführt, so daß verhältnismäßig stark ausgedehnte, einen Plasmastrahl bildende Plasmen erzeugt werden können. Auch mittels der Surfatronquelle läßt sich ein großvolumiges, homogenes Mikrowellenplasma erzeugen mit niedriger Ionen-/Elektronenenergie, hoher Dichte und niedrigem Plasmapotential. Auch das Surfatron ist eine Plasmaquelle, welche keine Elektroden aufweist, so daß unerwünschte Verunreinigungen durch abgetragenes Elektrodenmaterial während der Abscheidung nicht auftreten können.
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In einer weiteren, alternativen Ausführungsform wird das Inertgas mittels einer Hochfrequenzanregung, insbesondere einer induktiven Plasmaquelle ionisiert. Die bei der Hochfrequenzanregung auftretenden hohen Spannungen am Plasma erfordern eine entsprechende Abschirmung des derartig elektrisch beeinflußten Plasmas, um zufriedenstellende Abscheidungsergebnisse zu erzielen.
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Vorzugsweise wird als Substrat poröses Silicium, als epitaktisch abzuscheidendes Material Silicium, als Reaktivgas Silan oder ein Silangemisch und als Inertgas Helium und/oder Argon verwendet, wobei vorteilhafterweise die durch Aufheizen erzielte Temperatur der Abscheidungsoberfläche des Substrats etwa 600°C beträgt. Hierbei ist es möglich, in besonders vorteilhafter Weise Silicium ionenunterstützt bei der relativ niedrigen Temperatur von 600°C auf der Abscheidungsoberfläche auf porösem Silicium abzuscheiden, ohne daß es nachteilhafterweise zu einer Schädigung des Substrats (poröses Silicium) kommt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird als Substrat poröses Siliciumkarbid, als epitaktisch abzuscheidendes Material Siliciumkarbid, als Reaktivgas ein Gemisch aus einem Si-Trägergas, insbesondere Silan, und einem Kohlenwasserstaffträgergas, insbesondere Methan, und als Inertgas Helium und/oder Argon verwendet, wobei die durch Aufheizen erzielte Temperatur der Abscheidungsoberfläche des Substrats etwa 800°C bis 900°C beträgt. Auf diese Weise kann Siliciumkarbid ionenunterstützt bei einer relativ niedrigen Temperatur der Substratoberfläche unterhalb der über 900°C liegenden Kollabierungstemperatur des porösen Siliciumkarbid-Substrats abgeschieden werden. Ferner bietet ein epitaktisches Aufwachsen von Siliciumkarbid auf porösem Silicium (statt porösem Siliciumkarbid) den Vorteil, daß eine verhältnismäßig kostengünstige Siliciumkarbid-Dünnschichtabscheidung möglich wird. Durch die Anordnung einer porösen Siliciumzwischenschicht wird ein Ausgleich der unterschiedlichen Gitterabstände zwischen dem Silicium-Wirtsgitter (Substrat) und dem Siliciumkarbid-Gitter (abzuscheidendes Material) ausgeglichen, so daß ein qualitativ hochwertiges Siliciumkarbid-Schichtwachstum mit guter Kristallinität und geringer Defektdichte auf einem verhältnismäßig kostengünstigen Substrat aus Silicium möglich wird. Ferner erweist sich als vorteilhaft, daß es bei der Abscheidung von Siliciumkarbid auf einem Substrat aus porösem Siliciumkarbid möglich wird, mittels eines Dünnschicht-Kopierprozesses (”Smart-Dicing”) Siliciumkarbid-Dünnschichten auf weitere, verhältnismäßig kostengünstige Substrate zu übertragen und das relativ teuere Siliciumkarbid-Ausgangssubstrat zur Beschichtung von Siliciumkarbid-Dünnschichten mehrfach zu verwenden, so daß das als Wafer dienende Ausgangssubstrat aus Siliciumkarbid nach jedem Abscheidungsprozeß wiedergewonnen und somit mehrere Abscheidungsprozesse mit demselben Ausgangssubstrat durchlaufen werden können. Eine Abscheidung von Silicium oder Siliciumkarbid auf einer porösen Siliciumsubstratoberfläche oder Siliciumkarbidsubstratoberfläche läßt sich somit auf verhältnismäßig kostengünstige Weise realisieren. Dabei kann entweder ein Verfahren der nachträglichen Oxidation des unter einer abgeschiedenen Siliciumschicht befindlichen porösen Siliciums zur Anwendung kommen oder ein Dünnschicht-Kopierprozeß (”Smart-Dicing”) auf einen thermisch oxidierten Gegenwafer vorgesehen sein, um ein sogenanntes SOI-Substrat oder SiCOI-Substrat auf kostengünstige Weise zu erhalten.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform wird als Substrat poröses Silicium, als epitaktisch abzuscheidendes Material Si-Ge (Silicium-Germanium), als Reaktivgas ein Gemisch aus einem Si-Trägergas, insbesondere Silan, und einem Ge-Trägergas, und als Inertgas Helium und/oder Argon verwendet, wobei die durch Aufheizen erzielte Temperatur der Abscheidungsoberfläche des Substrats etwa 800°C bis 900°C beträgt. Das epitaktisch abzuscheidende Material ist somit nicht auf Silicium beziehungsweise Siliciumkarbid beschränkt, sondern kann beispielsweise auf Silicium-Germanium erweitert werden.
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Bezugnehmend auf die Vorrichtung ist Selbige gekennzeichnet durch:
Eine Ionisiereinheit zur in bezug auf das Reaktivgas separaten Ionisierung eines Inertgases;
eine Inertgas-Zuführvorrichtung zur Leitung des ionisierten Inertgases auf die Abscheidungsoberfläche des Substrats.
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Eine derartig aufgebaute Vorrichtung ermöglicht eine effiziente und zuverlässige epitaktische Abscheidung von Atomen oder Molekülen aus einem Reaktivgas auf einer Abscheidungsoberfläche eines Substrats.
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Vorzugsweise ist die Ionisiereinheit des Inertgases als eine nach dem Prinzip der Elektronen-Zyklotronresonanz (ECR) arbeitende Mikrowellen-Plasmaquelle ausgebildet. Hierdurch wird die Erzeugung eines hochdichten Plasmas aus Ionen und Elektronen niedriger Energie ermöglicht, wodurch eine Schädigung der Abscheidungsoberfläche durch Ionenbeschuß gering bleibt und die erzeugten Schichten nach dem Abscheiden geringe Defektdichten aufweisen. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, daß das Mikrowellenplasma in seiner Umgebung keine hohen Spannungen benötigt, die wiederum zu schädlichen Nebeneffekten durch kapazitive Kopplung ins Plasma führen würden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Ionisiereinheit des Inertgases als eine Surfatronquelle ausgebildet, welche ein ein plasmaerzeugendes Mikrowellenfeld führendes Quarzsurfatron aufweist. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß sich sehr ausgedehnte Plasmen in Form eines breiten Plasmastrahls erzeugen lassen. Wie mit der Mikrowellen-Plasmaquelle läßt sich auch mit einer Surfatronquelle ein großvolumiges, homogenes Mikrowellenplasma erzeugen mit niedriger Ionen-/Elektronenenergie, hoher Dichte und niedrigem Plasmapotential.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungform ist die Ionisiereinheit des Inertgases als induktive Plasmaquelle ausgebildet. Die hierbei erfolgende Hochfrequenzanregung des Inertgases unter Auftreten hoher Spannungen am Plasma erfordern eine entsprechende Abschirmung eines derartig elektrisch beeinflußten Plasmas, um zufriedenstellende epitaktische Abscheidungsergebnisse mit geringer Defektdichte erzielen zu können.
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Mit Vorteil weist die Reaktivgas-Zuführvorrichtung einen Gasdiffuserring auf, der zwischen einem zur aufgeheizten Abscheidungsoberfläche des Substrats gerichteten Austritt der Inertgas-Zuführvorrichtung und dem Substrat angeordnet ist. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise eine gesonderte Zuführung des noch nicht ionisierten Inertgases und des Reaktivgases und eine gemeinsame Zuführung des ionisierten Inertgases mit dem Reaktivgas unmittelbar oberhalb der aufgeheizten Abscheidungsoberfläche des Substrats ermöglicht. Es ist wesentlich, daß das Reaktivgas nicht zusammen mit dem Inertgas durch die als Plasmaquelle wirkende Ionisiereinheit geleitet werden, da dort in erheblichem Umfang Gasphasenreaktionen zwischen den beiden Gasen stattfinden würden und diese die Schichtabscheidung beeinträchtigen würden. Für das Schichtwachstum auf der Abscheidungsoberfläche ist keine Gasphasenreaktion, sondern vielmehr eine Oberflächenreaktion notwendig, weshalb eine Trennung der Zuführung des Inertgases und des Reaktivgases auf die Abscheidungsoberfläche erfolgen muß, bei welcher die Inertgaszufuhr durch die Plasmaquelle und die Reaktivgaszufuhr vorteilhafterweise unterhalb der Plasmaquelle erfolgt, so daß keine oder lediglich in stark reduziertem Maße eine gegenseitige Anregung der beiden Gase stattfinden kann.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Gasdiffuserring in einer in bezug auf die aufgeheizte Abscheidungsoberfläche des Substrats beabstandeten und parallelen Ebene angeordnet ist und das aus dem Austritt der Inertgas-Zuführvorrichtung austretende und in Richtung Abscheidungsoberfläche strömende, ionisierte Inertgas umfangsförmig umgibt. Durch eine derartige Position und Ausbildung des Gasdiffuserrings wird eine in bezug auf den Abscheidungsprozeß optimale, zunächst getrennte Zuführung des ionisierten Inertgases und des Reaktivgases in Richtung auf die aufgeheizte Abscheidungsoberfläche des Substrats erhalten, wobei sich die beiden Gase kurz vor Auftreffen auf die Abscheidungsoberfläche miteinander frei vermischen können.
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Vorzugsweise ist das Substrat auf einer Substratelektrode liegend angeordnet, in deren Innern die Heizvorrichtung angeordnet ist, mittels welcher die von der Substratelektrode abgewandte Abscheidungsoberfläche des Substrats aufheizbar ist. Eine derartige Anordnung des Substrats und Ausbildung der Substratelektrode ermöglicht eine kompakte Bauweise der Vorrichtung und ein zuverlässiges und verhältnismäßig einfaches Aufheizen der Abscheidungsoberfläche des Substrats auf eine gewünschte Temperatur.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Heizvorrichtung eine in der Nähe der Substratelektrode angeordnete, Wärme abgebende Strahlungseinrichtung aufweisen. Eine von der Substratelektrode unabhängig ausgebildete und angeordnete Strahlungseinrichtung ermöglicht eine den Aufheizvorgang der Abscheidungsoberfläche des Substrats optimierende Anpassung der Heizvorrichtung an die jeweilige Ausgestaltung des Innenraums der Abscheidungsanlage. Vorzugsweise ist die Strahlungseinrichtung unterhalb der Substratelektrode angeordnet.
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Mit Vorteil weist die Vorrichtung eine Vakuumpumpe mit Druckregelung auf, mit der in einer Vakuumkammer, in welcher die Abscheidung stattfindet, ein Druck insbesondere im Bereich von 0,1 μbar bis 100 μbar erzeugbar ist. Hierdurch sind die für die verschiedenen Abscheidungsverfahren benötigten, vorzugsweise sehr niedrigen Prozeßdrücke frei einstellbar, wobei vorteilhafterweise ein Druck von 1 μbar einstellbar sein sollte.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds über der aufgeheizten Abscheidungsoberfläche des Substrats auf. Dieses elektrische Feld ermöglicht es, die thermisch angeregten Ionen des ionisierten Inertgases bei Bedarf noch etwas mehr zu beschleunigen, wodurch der Abscheidungsprozeß durch einen gut kontrollierbaren, zusätzlichen Energieeintrag durch Wahl der Ionenenergie weiterhin optimiert werden kann. Diese Vorspannung, welche die auf die Abscheidungsoberfläche des Substrats einfallenden Ionen des Inertgases auf einen vorbestimmten Wert beschleunigen soll, kann aus einer Gleichspannungsquelle oder einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle stammen. Im letztgenannten Fall wird diese Vorspannung (”Biasspannung”) durch ”Self-Biasing” an der Substratelektrode erzeugt. Das elektrische Feld dient somit zur Ionenbeschleunigung, und damit zur Beeinflussung der entsprechenden Energiezuführung, in Richtung Substrat. Durch die Ionenbeschleunigung kann die gewünschte Energiezuführung in das Substrat gesteuert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung in schematischer Darstellung und
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2 eine durch die Erfindung ermöglichte vorteilhafte Anwendung einer epitaktischen Abscheidung.
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Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung zu einer epitaktischen Abscheidung von Atomen oder Molekülen aus einem Reaktivgas 9 auf einer Abscheidungsoberfläche 5 eines Substrats 4. Die Vorrichtung 1 weist eine Vakuumkammer 2 auf, in welcher das Substrat 4 auf einer Substratelektrode 6 liegend angeordnet ist. Das Substrat 4 besteht zumindest an seiner Abscheidungsoberfläche 5 aus porösen Silicium oder porösem Siliciumkarbid. Ein Gasdiffuserring 7 ist oberhalb des Substrats 4 innerhalb der Vakuumkammer 2 angeordnet. Der Gasdiffuserring 7 weist einen in bezug auf die Vakuumkammer 2 außenliegende Gaseinlaßöffnung 8 und eine Mehrzahl von in die Vakuumkammer 2 führende, gleichmäßig über den Umfang des Gasdiffuserrings 7 verteilte und auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 gerichtete Gasaustrittsöffnungen 17 auf. Der Gasdiffuserring 7 dient dazu, Reaktivgas 9 durch die Gaseinlaßöffnung 8 und die Gasaustrittsöffnungen 17 von außen in kontrollierter Weise in die Vakuumkammer 2 in Richtung auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 zu leiten, wobei das Reaktivgas 9 möglichst gleichmäßig mit der Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 in Kontakt kommen soll. Das Reaktivgas 9 kann zum Beispiel aus Silan (SiH4) für eine Silicium-Epitaxie oder aus einem Gemisch aus Silan (SiH4) und Methan (CH4) für eine Siliciumkarbid-Epitaxie bestehen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform können jedoch als epitaktisch abzuscheidendes Material auch Si-Ge (Silicium-Germanium), als Reaktivgas 9 ein Gemisch aus einem Si-Trägergas, insbesondere Silan, und einem Ge-Trägergas, und als Inertgas 10 Helium und/oder Argon verwendet werden, mit einem Substrat 4 aus porösem Silicium.
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Die Vakuumkammer 2 steht mit einer in bezug auf den Gasdiffuserring 7 oberhalb angeordneten Inertgas-Zuführvorrichtung 18 in Verbindung, welche dazu dient, ein Inertgas in das Innere der Vakuumkammer 2 auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 zu leiten. Das mit 10 gekennzeichnete, unbehandelte Inertgas tritt durch einen Gaseinlaß 15 in die Inertgas-Zuführvorrichtung 18 ein und wird in einen sich in Strömungsrichtung radial ausweitenden Quarzdom 12 der Inertgas-Zuführvorrichtung 18 geleitet. Im Quarzdom 12 wird das bislang unbehandelte Inertgas 10 mittels einer allgemein mit 3 bezeichneten Ionisiereinheit in ein ionisiertes Inertgas 11 umgewandelt. Die Ionisiereinheit 3 enthält einen als Hohlleiter ausgebildeten Mikrowellenresonator 16, der durch ein Magnetron 13 mit Mirkowellenenergie gespeist wird. Mittels eines Abstimmelements 14 kann die Hohlraumfrequenz des Mikrowellenresonators 16 auf Resonanz und zur optimalen Anpassung des als Plasma wirkenden ionisierten Inertgases 11 in bezug auf den Abscheidungsprozeß abgestimmt werden. Der Quarzdom 12 befindet sich im Bereich des Mikrowellenresonators 16 zwischen dem Magnetron 13 und dem Abstimmelement 14, so daß das sich im Quarzdom 12 befindende und noch unbehandelte Inertgas 10 einem elektromagnetischen Feld des Mikrowellenresonators 16 ausgesetzt ist. Das in den Quarzdom 12 eingeleitete Inertgas 10 nimmt somit von dem elektromagnetischen Feld des Mikrowellenresonators 16 Energie auf und wird in ein ionisiertes Inertgas 11 umgewandelt.
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Als Inertgas 10 kann atomar vorliegendes Helium und/oder Argon verwendet werden. Die gebildeten Ionen und Elektronen, insbesondere Heliumionen und/oder Argonionen zusammen mit entsprechenden Elektronen, des ionisierten Inertgases 11 werden in Form eines ausgedehnten Plasmastrahls auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 geleitet. Der zentral auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 gerichtete Plasmastrahl wird von dem als Torus ausgebildeten Gasdiffuserring 7 radial umschlossen. Der torusförmige Gasdiffuserring 7 weist eine Wand auf, die mit den feinporigen Gasaustrittsöffnungen 17 versehen ist, welche in einem oder zueinander unterschiedlichen Winkeln auf die Abscheidungsoberfläche 5 gerichtet sind. Das durch die Gasaustrittsöffnungen 17 strömende Reaktivgas 9, insbesondere Silan für die Silicium-Epitaxie und Silan in Kombination mit Methan für die Siliciumkarbid-Epitaxie, kommt gleichzeitig mit dem zentral durch den Gasdiffuserring 7 geleiteten ionisierten Inertgas 11 mit der Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 in Kontakt.
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Durch die in bezug auf das Reaktivgas 9 separate Ionisierung des Inertgases 10 mittels der Ionisiereinheit 3 wird sichergestellt, daß unerwünschte Gasphasenreaktionen der beiden Gase 9, 10 vermieden werden. Derartige, die epitaktische Schichtabscheidung negativ beeinträchtigende Gasphasenreaktionen würden stattfinden, wenn auch das Reaktivgas 9 gleichzeitig mit dem Inertgas 10 durch die Ionisiereinheit 3 geleitet werden würde. Durch die räumliche und konstruktive Trennung der Gaszufuhr des Reaktivgases 9 und des Inertgases 10, beziehungsweise des ionisierten Inertgases 11, werden derartige unerwünschte Gasphasenreaktionen vermieden. Diese Trennung kann unterstützt werden durch eine geeignete zeitliche Separation der Zufuhr der beiden Gase 9, 11 in Form einer zueinander abwechselnden und alternierenden Zufuhr des Reaktivgases 9, einerseits, und einer Aktivierung der Ionisiereinheit 3 beziehungsweise Zufuhr des ionisierten Inertgases 11, andererseits.
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Die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 wird vor Zufuhr des Reaktivgases 9 und des ionisierten Inertgases 11 auf eine gewünschte Temperatur, die bis zu maximal 1000°C betragen kann, erhitzt. Dies erfolgt durch eine Heizvorrichtung 20, welche im dargestellten Fall als direkte Heizung im Innern der Substratelektrode 6 ausgebildet ist. Es kann jedoch zum Aufheizen der Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 auch eine nicht gezeigte, vorzugsweise in bezug auf das Substrat 4 von unten wirkende, Wärme abgebende Strahlungsheizung eingesetzt werden.
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Wenn die Atome oder Moleküle des Reaktivgases 9 und die Ionen des ionisierten Inertgases 11 auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 treffen, wird durch die Einwirkung der durch Stoßionisation angeregten, jedoch chemisch trägen Ionen auf die Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 den dort aus der Gasphase adsorbierten Atomen und Molekülen des Reaktivgases 9 Aktivierungsenergie bereitgestellt, welche somit nicht durch die thermische Aktivierung des erwärmten Substrats 4 geliefert werden muß. Dabei ist es wichtig, daß durch eine hohe Teilchendichte an Ionen und Elektronen insgesamt genügend Anregungsenergie für die an der Abscheidungsoberfläche 5 adsorbierten und abzuscheidenden Atome/Moleküle bereitgestellt wird, wobei gleichzeitig die Energie individueller Ionen und Elektronen nicht so groß sein darf, daß eine Beschädigung der Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 durch Ionenbombadierung oder die Erzeugung von Kristalldefekten in der aufwachsenden Schicht eintritt.
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Die Vorrichtung 1 erlaubt somit die Zuführung einer ersten Energiemenge durch Aufheizen des Substrats 4 und somit auch der Abscheidungsoberfläche 5, wobei die erste Energiemenge geringer ist als die zur Abscheidung der Atome oder Moleküle des Reaktivgases 9 notwendige Energiemenge auf der Abscheidungsoberfläche 5. Die zur Abscheidung der Atome oder Moleküle des Reaktivgases 9 fehlende – und eventuell auch eine größere – Energiemenge wird durch zumindest zeitweise Zuführung eines ionisierten Inertgases 11 auf die Abscheidungsoberfläche 5 erhalten. Hierbei wird zumindest zeitweise eine zweite Energiemenge zugeführt, welche durch Einwirken von Ionen des ionisierten Inertgases 11 auf die Abscheidungsoberfläche 5 erhalten wird. Die erste Energiemenge und die zweite Energiemenge addieren sich somit zu einer Gesamtenergiemenge, die zur Abscheidung und Reorganisation von Atomen oder Molekülen aus dem Reaktivgas 9 auf die Abscheidungsoberfläche 5 und zu deren Neuorganisation entsprechend der vorgegebenen Kristallstruktur ausreicht.
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Bei der soeben beschriebenen Vorrichtung 1 wird als Mikrowellen-Plasmaquelle vorzugsweise eine nach dem Prinzip der Elektronen-Zyklotronresonanz (ECR) arbeitende Mikrowellen-Plasmaquelle verwendet, bei der im externen Magnetfeld eine Elektronenresonanz mit Mikrowellenfrequenz bewirkt wird, was zu einer besonders effizienten Ionisierung auch bei sehr niedrigen Drücken von weniger als 1 μbar führt. Alternativ läßt sich als Mikrowellen-Plasmaquelle auch eine Surfatronquelle verwenden, bei der das plasmaerzeugende Mikrowellenfeld in der Grenzschicht zwischen Plasma und Quarzwand geführt wird, so daß sehr ausgedehnte Plasmen in Form eines Plasmastrahls erzeugt werden können. Auf jeden Fall ermöglichen es beide Plasmaquellenarten, ein großvolumiges homogenes Mikrowellenplasma zu erzeugen, dessen Ionen und Elektronen eine nicht zu hohe Energie besitzen, wobei jedoch eine hohe Elektronen- und Ionendichte bei niedrigem Plasmapotential vorliegt. Wie schon erwähnt, wird auf diese Weise insgesamt genügend Aktivierungsenergie für die auf der Abscheidungsoberfläche 5 zu adsorbierenden Moleküle beziehungsweise Atome bereitgestellt, ohne daß es zu einer Beschädigung der Abscheidungsoberfläche 5 des Substrats 4 durch Ionenbombardierung kommt.
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Gemäß einer nicht dargestellten, weiteren alternativen Ausführungsform kann eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle eingesetzt werden, die im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht mit Mikrowellenanregung sondern mit einer Hochfrequenzanregung mittels einer gewickelten Spule, welche ringartig ausgebildet ist und entlang deren Spulenachse das Inertgas hindurchströmt, arbeitet. Da hohe Spannungen zu einer entsprechenden Beschleunigung der im ionisierten Inertgas 11 enthaltenen Elektronen und Ionen führt, die eine massive Schädigung der Abscheidungsoberfläche 5 und eine Beeinträchtigung der Qualität der dort abgeschiedenen Schicht bewirken können, muß bei Einsatz derartiger Plasmaquellen für eine entsprechende Abschirmung der entstehenden elektrischen Felder gesorgt werden. Die Vorsehung einer entsprechenden Abschirmung erlaubt somit den Einsatz einer induktiven Plasmaquelle zur Erzeugung von Ionen für eine ionenunterstützte chemische Dampfabscheidung (CVD).
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2 zeigt eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Dünnschicht-Kopierprozeß, bei dem nach epitaktischer Abscheidung einer Dünnschicht 23 auf einem verhältnismäßig teueren Ausgangssubstrat 4 diese epitaktisch abgeschiedene Dünnschicht 23 auf ein Billigsubstrat übertragen wird, wodurch das teuere Ausgangssubstrat 4 für erneutes epitaktisches Aufwachsen einer Dünnschicht zur Verfügung steht. Das teuere Ausgangssubstrat 4 läßt sich somit für mehrere Prozeßdurchläufe wiederverwenden.
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In Schritt 1 wird das als Ausgangswafer dienende, insgesamt verhältnismäßig teuere Substrat 4 hergestellt, das im wesentlichen aus an sich relativ preiswertem Silicium 21 oder verhältnismäßig teuerem Siliciumkarbid 21 besteht und zumindest an seiner Oberfläche eine Schicht 22 aus porösem Silicium oder porösem Siliciumkarbid aufweist, bei der es sich um eine nicht-kristalline Oberflächenschicht handelt. In Schritt 2 wird unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Niedertemperatur-Epitaxie eine epitaktische Schicht 23 aus Silicium oder Siliciumkarbid auf der Schicht 22 aus porösem Silicium beziehungsweise aus porösem Siliciumkarbid abgeschieden, wobei es sich bei dieser epitaktischen Schicht 23 um eine kristalline Silicium- oder Siliciumkarbid-Schicht handelt. In Schritt 3 wird die in Schritt 2 abgeschiedene epitaktische Schicht 23 (Dünnschicht) nach Bonden auf einem thermisch oxidierten Gegenwafer 24 (oder Glaswafer) von dem als Ausgangswafer dienenden Substrat 4 abgelöst. Auch der Gegenwafer 24 ist aus einem verhältnismäßig preiswerten Substratmaterial hergestellt, Der aus dem Substrat 4 bestehende Ausgangswafer wird nach jedem Ablösen beziehungsweise Kopieren der epitaktischen Schicht 23 (Dünnschicht) wieder frei. In Schritt 4 wird schließlich das an der epitaktischen Dünnschicht 23 haftende poröse Silicium beziehungsweise poröse Siliciumkarbid der Schicht 22 entfernt, wodurch ein hochwertiger, kostengünstiger SOI-/SiCOI-Wafer 25 gewonnen wird. Er besteht aus dem Gegenwafer 24 aus relativ preiswertem Substratmaterial und der an ihm haftenden, hochwertigen, kristallinen, epitaktischen Schicht 23 (Dünnschicht), die vom verhältnismäßig teueren Substrat 4 (Ausgangswafer) durch den oben beschriebenen Kopiervorgang auf das Substrat 24 übertragen wurde. Durch Vorgabe von Sollbruchstellen 26 in der porösen Schicht 22 können dabei gezielte Strukturen vorgegeben werden. Insbesondere lassen sich durch zweidimensional verlaufende Sollbruchlinien (nicht gezeigt) entsprechende zweidimensionale Strukturen auf der angestrebten epitaktischen Schicht 23 erzielen.
