用于制造锗膜的计算机系统及方法与流程

本改进总体涉及锗膜，更具体地涉及用于制造此类膜的计算机实现方法和系统。

背景技术：

1、自立式单晶锗（ge）膜近来在各种应用中具有日益增长的兴趣，所述应用包括红外波导、光电探测器、激光器、生物传感器、柔性光电器件、轻质太阳能电池（例如高效iii-v族太阳能电池），仅列举几个示例应用。在后一种情况下，例如，锗基太阳能电池在陆地和空间应用中的广泛使用通常受到块体锗衬底的重量和成本的阻碍。因此，使用薄锗膜作为这些器件的衬底可以提供合适的解决方案，因为所得器件可以从母体锗衬底上脱离，然后转移到轻质且低成本的支撑件上。此外，一旦脱离，母体锗衬底可被整修和再利用，从而降低总体制造成本。

2、已经有一些尝试生产可从其对应的母体锗衬底上脱离的薄锗膜。例如，abderraouf 等人（参见“mesoporous germanium morphology transformation for lift-off process and substrate re-use.” applied physics letters 102.1 (2013)）研究了电化学形成的介孔ge双层在600–700℃超高真空退火期间的形貌及其转变。该转变过程将底部多孔ge层的孔重组成具刻面的球形空洞，这些空洞随后可破裂以允许上层多孔ge层脱离。此外，pct公开号wo 2022/170431 a1公开了一种工艺，其中两个非多孔ge层在不同温度下沉积在多孔ge层上。在退火期间，证明了多孔ge层会发生显著的形貌变化，从而允许非多孔ge层从ge衬底上脱离并形成ge膜。尽管现有的薄锗膜制造工艺在一定程度上令人满意，但仍存在改进空间。例如，在确保薄锗膜与母体衬底充分耦合以避免自脱离，但又不会过强地耦合以阻碍其及时脱离而不破裂方面，仍存在改进空间。因此，需要控制薄锗膜与母体衬底的附着程度。

技术实现思路

1、存在若干制造薄锗膜的技术，包括外延剥离、智能切割技术、受控剥落、纳米图案化2d材料、无支撑锗以及多孔层剥离。后一种技术涉及使用通过低成本且晶圆可扩展的电化学蚀刻技术产生的多孔锗层（也可称为"pge层"）作为外延结构沉积的模板。在锗膜（也可称为"膜"）与对应的块体锗衬底（也可称为"衬底"）之间产生的弱多孔界面随后被用作促使膜从衬底脱离的促进者。

2、虽然已经完成了这种方法的一些演示，并且已证明膜具有高材料质量，但发现存在因膜与衬底机械耦合的耦合强度的可变性而带来的挑战。发现改变一个或多个制造参数可以进而改变所得的耦合强度。因此提供了一种方法和系统，其能够基于期望的耦合强度确定正确的制造参数组，从而得到以期望耦合强度耦合到其各自衬底的膜。对这种耦合强度的控制可能是非常理想的，因为耦合强度需要足够强以承受器件加工并避免任何不期望的自动附着，但又足够弱以使得能够进行高产率的及时脱离过程而不使所述膜破裂。

3、根据本公开的第一方面，提供了一种在锗衬底上制造锗膜的方法，所述方法包括：选择耦合强度指示符，所述耦合强度指示符指示当施加于锗膜时使锗膜从锗衬底脱耦的力；基于所述耦合强度指示符，使用将多个参考制造参数组与对应的参考耦合强度指示符相关联的参考数据来确定制造参数组，所述制造参数组至少包括第一沉积温度和高于所述第一沉积温度的第二沉积温度；以及基于所述制造参数组在所述锗衬底上制造所述锗膜，所述制造包括：在所述第一沉积温度下，将锗的第一非多孔层沉积到所述锗衬底的多孔层上；以及在高于所述第一沉积温度的所述第二沉积温度下，将锗的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述锗膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层。

4、根据本公开的第二方面，提供了一种用于在锗衬底上制造锗膜的系统，所述系统包括：计算机，其接收耦合强度指示符，所述耦合强度指示符指示当施加于锗膜时使锗膜从锗衬底脱耦的力；所述计算机基于所述耦合强度指示符，使用将多个参考制造参数组与对应的参考耦合强度指示符相关联的参考数据来确定制造参数组，所述制造参数组至少包括第一沉积温度和高于所述第一沉积温度的第二沉积温度；制造装置，其通信耦合至所述计算机，所述制造装置被配置为基于所述制造参数组在所述锗衬底上制造所述锗膜，所述制造包括：在所述第一沉积温度下，将锗的第一非多孔层沉积到所述锗衬底的多孔层上；以及在所述第二沉积温度下，将锗的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述锗膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层；以及脱耦装置，其通信耦合至所述计算机，所述脱耦装置被配置为向所述锗膜施加脱耦力，所述脱耦力大于所述耦合强度指示符的力，从而使所述锗膜从所述锗衬底脱耦。

5、根据本公开的第三方面，提供了一种在锗衬底上制造锗膜的方法，所述方法包括：在第一沉积温度下，将锗的第一非多孔层沉积到所述锗衬底的多孔层上；在高于所述第一沉积温度的第二沉积温度下，将锗的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述锗膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层；以及在所述沉积第一非多孔层和所述沉积第二非多孔层之后，将锗的所述第一非多孔层和所述第二非多孔层以及所述锗衬底加热至第一退火温度并持续第一时间段，所述第一退火温度高于所述第一沉积温度和所述第二沉积温度。

6、根据本公开的第四方面，提供了一种在锗衬底上制造锗膜的方法，所述方法包括：在第一沉积温度下，将锗的第一非多孔层沉积到所述锗衬底的多孔层上，所述沉积第一非多孔层封闭所述多孔层的孔隙，从而在所述多孔层内捕获一定体积的空隙，同时保持所述孔隙的原始结构；在高于所述第一沉积温度的第二沉积温度下，将锗的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述锗膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层；以及通过将所述第一非多孔层和所述第二非多孔层和所述锗衬底加热至给定温度并持续给定时间段来改变所述孔隙的所述原始结构，所述改变包括将所述孔隙重组成多个较大的空腔，所述多个较大空腔中穿插分布有在所述锗衬底和所述第一非多孔层之间延伸的多个柱体，所述多个柱体具有在1%至35%之间的柱体表面覆盖率cps，所述柱体表面覆盖率由以下给出：，其中api表示第i个柱体的截面积，n表示柱体总数，am表示锗膜的总面积，dp表示柱体密度，apavg表示平均柱体截面积。

7、根据本公开的第五方面，提供了一种在半导体衬底上制造半导体膜的方法，所述方法包括：选择耦合强度指示符，所述耦合强度指示符指示当施加于半导体膜时使半导体膜从半导体衬底脱耦的力；基于所述耦合强度指示符，使用将多个参考制造参数组与对应的参考耦合强度指示符相关联的参考数据来确定制造参数组，所述制造参数组至少包括第一沉积温度和高于所述第一沉积温度的第二沉积温度；以及基于所述制造参数组在所述半导体衬底上制造所述半导体膜，所述制造包括：在所述第一沉积温度下，将半导体材料的第一非多孔层沉积到所述半导体衬底的多孔层上；以及在高于所述第一沉积温度的所述第二沉积温度下，将半导体材料的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述半导体膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层。

8、进一步根据本公开的第五方面，所述方法还包括向所述半导体膜施加脱耦力，所述脱耦力大于所述耦合强度指示符的力，从而获得脱耦的半导体膜和具有脱离表面的半导体衬底。

9、仍进一步根据本公开的第五方面，所述方法还包括清洁所述半导体衬底的脱离表面，在所述半导体衬底中制作另一多孔层，以及在所述半导体衬底上制造第二半导体膜。

10、仍进一步根据本公开的第五方面，当所述耦合强度指示符指示弱耦合时，所述第一沉积温度设定在275℃至325℃之间，以及当所述耦合强度指示符指示强耦合时，所述第一沉积温度设定在350℃至400℃之间。

11、仍进一步根据本公开的第五方面，当所述耦合强度指示符指示弱耦合时，所述第二沉积温度设定在525℃至575℃之间，并且当所述耦合强度指示符指示强耦合时，所述第二沉积温度设定在425℃至475℃之间。

12、仍进一步根据本公开的第五方面，所述制造参数组具有第一退火温度，所述制造包括：在所述沉积第二非多孔层之后，将所述第一非多孔层和所述第二非多孔层以及所述半导体衬底加热至所述第一退火温度并持续给定时间段，所述给定时间段优选在45分钟至75分钟之间。

13、仍进一步根据本公开的第五方面，当所述耦合强度指示符指示弱耦合时，所述第一退火温度设定在500℃至725℃之间，以及当所述耦合强度指示符指示强耦合时，所述第一退火温度设定在775℃至850℃之间。

14、仍进一步根据本公开的第五方面，所述制造参数组具有初始多孔层厚度和初始多孔层孔隙率中的至少一者，所述制造包括：在所述沉积第一非多孔层之前，基于所述初始多孔层厚度和所述初始多孔层孔隙率中的所述至少一者在所述半导体衬底中制作所述多孔层。

15、仍进一步根据本公开的第五方面，当所述耦合强度指示符指示弱耦合时，所述初始多孔层厚度设定在250nm至400nm之间，以及当所述耦合强度指示符指示强耦合时，所述初始多孔层厚度设定在100nm至200nm之间。

16、仍进一步根据本公开的第五方面，当所述耦合强度指示符指示弱耦合时，所述初始多孔层孔隙率在50%至60%之间，以及当所述耦合强度指示符指示强耦合时，所述初始多孔层孔隙率在20%至50%之间。

17、仍进一步根据本公开的第五方面，所述沉积步骤形成在所述半导体衬底的所述多孔层内延伸的多个柱体，所述选择耦合强度指示符包括选择指示平均柱体尺寸的柱体尺寸值、指示平均柱体高度的柱体高度值以及指示柱体密度的柱体密度值中的至少一者。

18、根据本公开的第六方面，提供了一种用于在半导体衬底上制造半导体膜的系统，所述系统包括：计算机，其接收耦合强度指示符，所述耦合强度指示符指示当施加于半导体膜时使半导体膜从半导体衬底脱耦的力；所述计算机基于所述耦合强度指示符，使用将多个参考制造参数组与对应的参考耦合强度指示符相关联的参考数据来确定制造参数组，所述制造参数组至少包括第一沉积温度和高于所述第一沉积温度的第二沉积温度；制造装置，其通信耦合至所述计算机，所述制造装置被配置为基于所述制造参数组在所述半导体衬底上制造所述半导体膜，所述制造包括：在所述第一沉积温度下，将半导体材料的第一非多孔层沉积到所述半导体衬底的多孔层上；以及在所述第二沉积温度下，将半导体材料的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述半导体膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层；以及脱耦装置，其通信耦合至所述计算机，所述脱耦装置被配置为向所述半导体膜施加脱耦力，所述脱耦力大于所述耦合强度指示符的力，从而使所述半导体膜从所述半导体衬底脱耦。

19、进一步根据本公开的第六方面，所述脱耦装置被配置为从所述半导体衬底上牵拉所述半导体膜。

20、仍进一步根据本公开的第六方面，所述参考数据存储在所述计算机可访问的非暂时性计算机可读存储器上。

21、根据本公开的第七方面，提供了一种在半导体衬底上制造半导体膜的方法，所述方法包括：在第一沉积温度下，将半导体材料的第一非多孔层沉积到所述半导体衬底的多孔层上；在高于所述第一沉积温度的第二沉积温度下，将半导体材料的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述半导体膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层；以及在所述沉积第一非多孔层和所述沉积第二非多孔层之后，将半导体材料的所述第一非多孔层和所述第二非多孔层以及所述半导体衬底加热至第一退火温度并持续第一时间段，所述第一退火温度高于所述第一沉积温度和所述第二沉积温度。

22、进一步根据本公开的第七方面，所述第一退火温度在500℃至725℃之间。

23、仍进一步根据本公开的第七方面，所述多孔层的孔隙率在50%至55%之间，厚度在300nm至400nm之间。

24、仍进一步根据本公开的第七方面，所述第一退火温度在775℃至850℃之间。

25、仍进一步根据本公开的第七方面，所述多孔层的孔隙率在50%至55%之间，厚度在200nm至300nm之间。

26、仍进一步根据本公开的第七方面，所述第一退火温度在650℃至750℃之间，所述第一时间段在45分钟至75分钟之间，所述多孔层的孔隙率在50%至55%之间，所述多孔层的厚度在200nm至300nm之间。

27、根据本公开的第八方面，提供了一种在半导体衬底上制造半导体膜的方法，所述方法包括：在第一沉积温度下，将半导体材料的第一非多孔层沉积到所述半导体衬底的多孔层上，所述沉积第一非多孔层封闭所述多孔层的孔隙，从而在所述多孔层内捕获一定体积的空隙，同时保持所述孔隙的原始结构；在高于所述第一沉积温度的第二沉积温度下，将半导体材料的第二非多孔层沉积到所述第一非多孔层上，所述半导体膜具有所述第一非多孔层和所述第二非多孔层；以及通过将所述半导体衬底加热至给定温度并持续给定时间段来改变所述孔隙的所述原始结构，所述改变包括将所述孔隙重组成多个较大空腔，所述多个较大空腔中穿插分布有在所述半导体衬底和所述第一非多孔层之间延伸的多个柱体，所述多个柱体具有在1%至35%之间的柱体表面覆盖率cps，所述柱体表面覆盖率由以下给出：，其中api表示第i个柱体的截面积，n表示柱体总数，am表示半导体膜的总面积，dp表示柱体密度，apavg表示平均柱体截面积。

28、进一步根据本公开的第八方面，所述半导体膜以在0.25mpa至4.5mpa之间的耦合强度耦合至所述半导体衬底。

29、仍进一步根据本公开的第八方面，所述柱体表面覆盖率在1%至5%之间，所述耦合强度在0.25mpa至0.75mpa之间。

30、仍进一步根据本公开的第八方面，所述多孔层的厚度在300nm至500nm之间。

31、仍进一步根据本公开的第八方面，所述多孔层的孔隙率在50%至60%之间。

32、仍进一步根据本公开的第八方面，所述柱体表面覆盖率在5%至15%之间，所述耦合强度在0.75mpa至2.25mpa之间。

33、仍进一步根据本公开的第八方面，所述多孔层的厚度在200nm至300nm之间。

34、仍进一步根据本公开的第八方面，所述多孔层的孔隙率在30%至50%之间。

35、仍进一步根据本公开的第八方面，所述柱体表面覆盖率在20%至35%之间，所述耦合强度在2.75mpa至4.5mpa之间。

36、仍进一步根据本公开的第八方面，所述多孔层的厚度在100nm至200nm之间。

37、仍进一步根据本公开的第八方面，所述多孔层的孔隙率在20%至30%之间。

38、仍进一步根据本公开的第八方面，所述加热在以下至少一种情况下进行：i）在所述沉积第一非多孔半导体层之后且在所述沉积第二非多孔半导体层之前，ii）在所述沉积第二非多孔半导体层期间，以及iii）在沉积所述第二非多孔半导体层之后。

39、仍进一步根据本公开的第八方面，所述给定时间段在45分钟至75分钟之间。

40、进一步根据本公开的第五、第六、第七和/或第八方面，所述半导体衬底和所述半导体膜例如可以包括锗。

41、仍进一步根据本公开的第五、第六、第七和/或第八方面，所述半导体衬底、所述半导体膜、所述第一非多孔层和所述第二非多孔层中的至少一者具有选自以下的半导体材料：硅（si）、氧化铟锡（ito）、氧化锌（zno）、iii-v族半导体材料如砷化镓（gaas）、磷化铟（inp）、氮化镓（gan）、铟镓砷（ingaas）、铟镓磷（gainp）、铝镓砷磷（algaasp）、铟镓砷磷（ingaasp）、铝镓铟磷（algainp）、铝镓铟磷（inalgap）、铝镓铟磷（ingaalp）、铝镓铟磷（alingap）、iii-v族异质结构如硅上氮化镓（gan/si）、硅上氮化铝（aln/si）、硅上砷化镓（gaas/si）、硅上磷化镓（gap/si）、硅上铟镓砷（ingaas/si）、硅上铝铟氮（alinn/si）、硅上镓铟氮（gainn/si），或任何其他iii-v族或iii-n族半导体材料。

42、应注意，术语"耦合强度指示符"意在涵盖指示能使膜从母体衬底脱耦的力的任何指示符。例如，耦合强度指示符可以以力值、压力值、强度值或其组合的形式提供。力值可以以牛顿（n）表示，而压力/强度值可以以帕斯卡（pa）表示。在一些其他实施方式中，耦合强度指示符可以以定性指示符如"低耦合"、"中等耦合"或"强耦合"的形式提供。附加地或替代地，耦合强度指示符可以以与在多孔锗层内产生的柱体的形貌相关的一个或多个参数的形式提供。例如，此类参数可以包括但不限于柱体尺寸（例如平均柱体直径、平均柱体高度）、柱体密度、柱体表面覆盖率等。

43、术语"退火温度"意在指进行退火步骤时的温度。退火步骤通常包括以给定加热速率将锗衬底和/或其薄锗膜逐渐加热至退火温度并在给定时间段内保持该退火温度的步骤。

44、术语"脱耦力"意在涵盖将施加到锗膜和/或锗衬底上以使膜从锗衬底脱耦的任何类型的力。脱耦力可以是将锗膜拉离锗衬底的拉力，和/或沿锗膜与锗衬底之间延伸的平面方向的剪切力，仅举几个例子。

45、术语"耦合力"意在涵盖膜与锗衬底耦合的力。通常，为了使膜从衬底脱耦，需要施加对应于或超过耦合力的脱耦力。

46、术语"柱体表面覆盖率"意在量化与膜和衬底之间延伸的柱体相交的平面内的物质的量。与膜和衬底之间的柱体相交的平面内的空隙量cvs将对应于1减去柱体表面覆盖率，即cvs = 1 - cps。柱体表面覆盖率可以如下计算。例如，柱体表面覆盖率可由下式给出：，其中api表示第i个柱体的截面积，n表示柱体总数，am表示锗膜的总面积。柱体表面覆盖率也可由下式给出：，其中dp表示柱体密度，apavg表示平均柱体截面积。在一些实施方式中，柱体具有圆形形状。因此，平均柱体截面积apavg可由给出，其中davg表示平均柱体直径。根据具体情况以及对柱体进行的测量，其中一个方程将显得更合适。

47、关于本发明特定方面描述的所有技术实现细节和优点经必要修改后显然适用于本发明的所有其他方面。

48、在阅读本公开之后，关于本改进的许多进一步特征及其组合对于本领域技术人员将是显而易见的。