專利名稱：利用受控剪切區(qū)域的膜的層轉移的制作方法
利用受控剪切區(qū)域的膜的層轉移
相關申請的引用
本非臨時專利申請要求于2008年5月7曰提交的美國臨時專 利申請第61/051,307號的優(yōu)先4又，并將其全部內容并入本文作為參 考，用于所有目的。
背景技術：
從有時間概念開始，人類就依靠"太陽，，來獲取幾乎所有的有 用能量形式。這樣的能量來自石油、輻射、木材以及各種形式的熱 能。僅作為實例，人類嚴重地依靠諸如煤和天然氣(瓦斯，gas)的 石油源(petroleum sources )來滿足人類大部分的需要。不幸的是， 這樣的石油源已經變得^皮津毛盡了并且導致了其他問題。作為部分替 代物，已經提出了太陽能來降低我們對于石油源的依賴。僅作為實 例，可以由通常由石圭制成的"太陽能電池"來獲纟尋太陽能。
當暴露于來自太陽的太陽輻射時，硅太陽能電池產生電力。輻 射與石圭原子相互作用并且形成電子和空穴，電子和空穴移動到石圭本 體(《圭斥于底，silicon body )中的p摻雜區(qū)i或和n摻雜區(qū)i或并在摻雜 區(qū)域之間產生電壓差和電流。已經將太陽能電池與集中元件(聚焦 元4牛，concentrating element)集成在一起以？文善歲丈率。作為 一個實 例，利用集中元件使太陽輻射聚集和集中，該集中元件將這樣的輻 射引導至活性光伏材料的一個或多個部分。雖然這些太陽能電池是 有效的，但是仍然具有很多限制。僅作為一個實例，太陽能電池經常依靠諸如硅的原材料。這樣 的硅經常使用多晶硅和/或單晶硅材料來制備。根據單晶晶粒的尺寸
和結晶度，多晶硅材料還可以被稱作多晶型的(multicrystalline )、 微晶的、或納米晶的。在下文中將這些材料稱為"多晶硅"，其與 單晶材料是相對的，該單晶材料不具有許多隨機晶體取向和許多晶 4立邊界(晶界)。無定形石圭不是通常用于切片(wafered)的太陽能 電池中的硅的形式，其原因在于無定形硅在d 、于幾微米的厚度上較 差的載流子壽命(載體壽命，carrier lifetime )。
用于太陽能電池的材料經常難以制造。經常通過制造多晶硅板 來形成多晶石圭電池。雖然可以利用結晶爐(crystallization flirnace ) 以成本有效的方式來形成這些板，但是它們不具有用于高度有效的 太陽能電池的最佳特性。具體地，多晶硅板在捕獲太陽能和將所捕 獲的太陽能轉換成有用的電力方面沒有呈現出最高的可能效率。
相反，單晶硅(c-Si)具有適合于高級太陽能電池的特性。然 而，這樣的單晶硅制造昂貴并且也難以以效率高和成本有效方式用 于太陽能應用(solar application )中。
另外，在傳統制造單晶硅基板(襯底)的過程中，多晶硅和單 晶硅材料均遭受材料損失，其中，切割工藝(sawing process )用來 將薄單晶石圭層與初始生長的單晶石圭4定(silicon ingot)物理分開。例 如，內徑(ID)切割工藝或線切割工藝乂人鑄件(cast)或生長的晶 錠(boule)中除去了 40%以及甚至高達60%的原材料并且將該材料 分成(singulate)晶片形式的部分(wafer form factor )。這是制備以 供太陽能電池使用的薄多晶硅或單晶硅板的高度無效的方法。
為了克服使用硅材料的缺陷，已經提出了薄膜太陽能電池。通 過使用較少的硅材料或可替換材料使得薄膜太陽能電池經常不太昂貴，但是與由單晶硅基板制造的較昂貴的塊狀硅電池相比，可替 換材料的無定形或多晶結構是較少有效的。
從以上內容可以看到，高度期望以低成本和高生產率來制造合 適的高質量的單晶硅片的技術。
發(fā)明內容
可以通過提供半導體襯底(基板，substrate)來形成材料膜，
度的裂開區(qū)域(解理區(qū)域，cleave region )。在從襯底裂開膜的過程 中，裂開區(qū)域中的剪切凈皮仔細地控制。才艮據某些實施方式，面內剪 士刀分量(in-plane shear component) ( KII) 4呆持為4妄近0，并且夾在 拉伸區(qū)域與壓縮區(qū)域之間。在一個實施方式中，可以使用位于襯底 表面上方的板來完成裂開。該^反用來限制膜在裂開期間的運動，并 且與局部熱處理一起降低在裂開過程中產生(發(fā)展，develop)的剪 切。才艮據其他實施方式，KII分量凈皮有目的地保持在高水平上并用 來引導和驅動斷裂(裂紋)經過裂開序列而擴展(蔓延)。在一個 實施方式中，通過佳J圭暴露于E光束輻射而對石圭進4亍絕熱加熱來獲 得高KII分量，這賦予了非常陡的熱梯度并且在硅中的精確限定的 深度處產生了應力。
本發(fā)明的實施方式總體涉及用于形成厚膜的層轉移(layer transfer)技術。更具體地，本發(fā)明提供了 一種方法和裝置，其用于 厚膜的低自由層的轉移或者甚至是注入自由層的轉移，以用于太陽 能電池?！接滞ㄟ^實例，本發(fā)明適用于沿單晶石圭^H"底的晶面而裂幵厚 膜。但是將認識到，本發(fā)明具有更寬范圍的適用性。
通過實施本發(fā)明可以獲得許多益處。在優(yōu)選的實施方式中，可 以選才奪具有處在{ 111 )或{ 110 )晶面中的表面平面(surfaceplane)的單晶硅錠襯底。因此，幾乎可以消除或限制用于形成裂開 區(qū)域的離子注入工藝，以形成具有周邊區(qū)域部分的裂開起始區(qū)域。 這基本上簡化了層轉移工藝，減少了系統能量成本，并且增加了生產率。
在某些實施方式中，該工藝^皮分成(i)起始工藝，其利用4交高 注入劑量(起始劑量)來在硅錠襯底的相對小的區(qū)域(起始區(qū)域) 中引發(fā)斷裂；以及(ii)擴展過程(擴展工藝)，其使得起始的裂紋 尖端延伸通過硅錠襯底的剩余部分以釋放厚膜(擴展區(qū)域)。由于 擴展過程必須使起始區(qū)域延伸通過待被釋放的厚膜的表面區(qū)域的 大部分，因此該過程應該以小注入劑量而可靠地才喿作，并且可能無 需任何劑量。這被稱為擴展劑量，并且該過程所需的總劑量將因此 是起始和擴展劑量的加權面積平均值。例如，如果起始面積是總面 積的1°/。并且利用6 x 1016 cn^的氫同時擴展面積利用1 x io16 cm—2 的氬，貝寸總有效劑量是0.01*6 x 1016 cm-2+0.99*l x 1016 cm-2或1.05 x 1016 cm_2。減少或消除擴展劑量將對用于該裂開工藝需要的總劑 量具有一階(第一級，first order)影響。
劑量的降低又取決于(i)優(yōu)化被注入的氬的效果以最大化其裂 開引導作用；以及(ii)通過在裂紋尖端處產生合適的應力強度條 件而優(yōu)化裂開工藝，以將裂開前部保持在所需深度內而沒有使膜破
械構造。
在一個實施方式中，通過以使用線性加速器產生的受控劑量來 輻射高能離子顆粒，可以以圖案化的注入來形成裂開起始區(qū)域。在 特定實施方式中，本發(fā)明提供了一種具有力加載(其通過適當熱處 理工藝和/或機械力產生)的機械力矩加載，以產生應力梯度，使得 不考慮機械構造的自然趨勢，可以形成基本上是0的剪切區(qū)域，以產生混合模式加載。在另一個實施方式中，外部施加的能量產生受 控混合模式加載條件，其足以提供沿期望裂開面的擴展。
利用本發(fā)明的實施方式，可以生產具有從幾十《敬米到幾百《敬米 的厚度的高質量的厚膜晶體材料，其具有的切口損失基本上低于利 用傳統技術而可能存在的情況。所得到的單晶硅厚膜特別適合用于
高效率(20%或更高)的光伏電池中。 一些實施方式可以y使用現有 的制造工藝系統和技術，并且獲得(采取)用于制造各種半導體器 件應用的薄晶片/襯底的某些新開發(fā)技術的 一 些優(yōu)點。關于本發(fā)明各 種實施方式的更多細節(jié)可以在下文的描迷中找到。
圖1示出了擴展的一般情況的簡化示意圖。
圖2是示出了通過根據本發(fā)明實施方式的圖案化注入高能粒子 而形成裂開起始區(qū)i或的簡化3見圖3A示出了包括限制板(constraint plate )的用于裂開的裝置 的簡化截面圖。
圖3B示出了利用限制板由裂開產生的膜的應力的^^莫擬結果。
圖4對于利用膜位移加載而描繪了幾個數值，作為在裂紋擴展 期間裂開區(qū)域的質心離襯底的突出邊緣(tab edge)的距離(以pm 為單位)的函數。
圖5對于熱剪切而描繪了幾個數值，作為在裂紋擴展期間裂開 區(qū)域的質心離襯底的突出邊緣的距離(以nm為單位)的函數。圖6A描繪了在42 kPa的外加壓力下裂開能量與溫差的關系曲線。
圖6B描繪了在42 kPa的外加壓力下KII/KI比率與溫差的關系曲線。
圖7示出了在熱加載和裂紋擴展之前不久的完全加載壓力。
圖8A示出了在熱浸(熱浸透，heat soak)結束時得到的熱分 布(thermal profile )。
圖8B示出了在冷沖擊結束時得到的熱分布。
圖9A-9D示出了用于裂開三個區(qū)域的加熱/冷卻裂開序列以及 在施加壓力之后的裂紋擴展時間序列。
圖IO示出了由施加熱裂開工藝而產生的能量分布。
圖11示出了作為電子能量函數的進入硅和鍺中的電子范圍。
圖12A-12C示出了在絕熱加熱脈沖開始和4妾近結束時，才艮據力 矩加載所得的膜應力和裂開條件。
圖13描繪了在一段時間周期內由絕熱加熱產生的能量密度與 進入^圭中的深度的關系曲線，該絕熱加熱是由施加電子束而產生 的。
圖14是示出了通過產生力矩M2和M3而進^f亍裂開的簡化截面
圖，力矩M2和M3是通過向^皮夾住的襯底的邊緣直接施加力而產生的。圖15是示出了通過產生力矩MrM3和力PrP3而進行裂開的簡 化截面圖，該力矩和力是通過向被夾住的襯底施加熱能而產生的。
圖16是示出了通過產生力矩M。 M2和M3而進行裂開的簡化 示意圖，該力矩是通過向4皮夾住的4于底施力口聲能(sonic energy )而 產生的。
圖17是示出了通過產生力矩M,、 M2和M3而進行裂開的簡化 示意圖，該力矩是通過向被夾住的襯底局部施加聲能而產生的。
圖18是示出了4艮據本發(fā)明的工藝的實施方式的步驟的簡化工 藝流程。
具體實施例方式
本發(fā)明的特定實施方式提供了一種方法和裝置，用于太陽能電 池的厚膜的層轉移。僅通過實例，本發(fā)明適用于沿單晶硅襯底的晶 面裂開厚膜。但是，將認識到本發(fā)明具有更寬范圍的適用性。例如， 其他材料，諸如鍺、砷化鎵(GaAs )、氮化鎵(GaN )、或碳化硅(SiC ) 可以經受裂開工藝以釋放材料的膜，用于太陽能、光電子或半導體 應用。
如背景技術部分中所討論的，基于太陽能電池的硅的生長依賴 于降低在切片切口損失成本方面的瓶頸。傳統切割或者采用目前報 道的切片技術(諸如多線切割、火花切割、激光切割、或等離子切 割)(其提供適合于太陽能電池的厚膜)，由于以下一個或多個方 面高切口損失、慢切割速度、和缺少可制造性，使得這些技術可 以呈現有限的有效性。一種解決方案是利用高能離子束來在襯底表面下方的期望厚 度處形成裂開區(qū)域，然后執(zhí)行層轉移過程，以從剩余襯底釋放該厚 度的膜。然而，僅利用注入離子來形成易于裂開的裂開區(qū)域，可能 需要高離子劑量和延伸的注入區(qū)域。而且，對于注入離子的這種依 賴可能導致較高的表面粗糙度、在高離子劑量的情況下增加的成本 和較低的生產率，以及潛在的較低的產率。根據本實施方式，利用 本發(fā)明的方法和結構克服了這些以及其他限制。
根據本發(fā)明的特定實施方式，可以完成材料膜的裂開，其中，
利用在裂開期間、心地控制剪切條件的裂開工藝而基本上降低了 離子的注入，或者可能完全沒有注入。在一種實施方式中，通過提 供半導體村底可以形成材料膜，該半導體襯底具有表面區(qū)域、周邊 區(qū)域(peripheral region )、以及在表面區(qū)域下方的預定深度處的裂開 區(qū)域。對于本申請專利，術語"裂開區(qū)域，，不必表示已經接受輻射 或注入離子的區(qū)域，而是指在施加輻射和/或注入離子和/或適合的 外部裂開能量之后可以與襯底分開的區(qū)域。
可以將裂開起始區(qū)域限定在周邊區(qū)域的 一部分中以及裂開區(qū) 域的附近。可以通過使得裂開起始區(qū)域經受熱、化學、電、和/或機 械過程以在該起始區(qū)域中弄碎或釋方文膜的 一部分而形成裂開起始 區(qū)域。
在一個實施方式中，通過4吏得裂開起始區(qū)域經受局部熱處理而 完成起始裂開，乂人而裂開前部可以在該區(qū)域中開始，并且擴展至起 始區(qū)域的周邊，在該位置處，劑量較低并且不會促使進一步的擴展。 然后，可以繼續(xù)一般的膜釋放過程以使起始膜從現有的裂開前部擴 展通過襯底的剩余部分。
圖l是簡化圖，示出了根據本發(fā)明實施方式的半導體襯底的側 視圖，該半導體襯底具有位于表面區(qū)域下方預定深度處的裂開區(qū)域。該圖僅是一個實例，其不應該不適當地限制本文中權利要求的 范圍。本領域技術人員將會認識到很多改變、替換、和變型。
如圖1所示，^是供了半導體^3"底1700，其具有表面區(qū)域1702 和周邊區(qū)域1704。此外，提供了裂開區(qū)域1706。該裂開區(qū)域實質 上處于位于表面區(qū)域1702下方的預定深度d處的虛擬平面(虛平 面，virtual plane)或層中，并且用于限定祠:乂人半導體^"底1700分 離的厚膜1720的厚度。在一個實施方式中，半導體襯底的厚度基 本上大于深度d。在具體實施方式
中，半導體襯底是用在光伏太陽 能電池中的單晶硅材料。在具體實施方式
中，硅襯底具有選擇性地 處于(111 }或{ 110 }晶面中(可以存在小于約1?；蛐∮诩s3。的特 定小誤切角)的表面平面。在具體實施方式
中，所限定的裂開區(qū)域 基本上平4亍于表面區(qū)域。與傳統的{ 100 }面相比，由于裂開作用 能量上更容易沿著{ 111 }面j妄著是{ 110 }面，因此期望將材并十定 向成被裂開，以使待被裂開的表面與下表面能量結晶裂開面一致。 在共同壽爭讓給Francois J. Henley的題為"METHOD AND DEVICE FOR SLICING A SHAPED SILICON INGOT USING LAYER TRANSFER"(代理人檔案號018419-025600US)的美國臨時專利申 請中可以發(fā)現用于選擇用于切片或裂開的硅晶錠的特定取向的技 術的詳細描述，并通過引用方式結合于此。
圖l還示出了通過根據本發(fā)明實施方式的圖案化注入高能粒子 而形成裂開起始區(qū)域。該圖4又是一個實例，其不應該不適當地限制 本文中權利要求的范圍。本領域技術人員將認識到很多改變、替換、 和變型。
如圖1所示，周邊區(qū)域1704的一部分可以在表面區(qū)域1702中 與預定的圖案化區(qū)域(在圖1的截面圖中沒有直4妾示出)相關聯。 在一個實施方式中，周邊區(qū)i或的所選部分處于裂開區(qū)域1706的邊 緣附近。接著，表面區(qū)域1702的圖案化區(qū)域暴露于高能離子束1740, 例如，利用線性加速器產生的H+離子，其具有1 MeV以上的能級。 在一個實施方式中，圖案化起始區(qū)域的面積限制為總襯底表面積的 1-3%(例如，對于125 mm x 125 mm大小的4于底是2-5 cm2或更小)， 使得離子粒子劑量受到良好地控制，最小化了系統的能量成本并且 提高了厚膜裂開工藝的生產率。
高能離子^皮注入到表面區(qū)i或下方以到達處于裂開區(qū)i或1706附 近的區(qū)域。離子的穿透深度取決于能級，并且可以被控制到確定裂 開區(qū)域的深度d的期望值。通過將動能轉移到離子化(電子制動 (electronic braking))形式的晶格中而使得注入離子在晶格中減慢， 并且通過移動原子(核子停止(nuclear stopping))而使得原子損害的 量很小。
在最后階段(總范圍的約2-5%)中，離子在核子停止的狀態(tài) 下與晶格發(fā)生基本更多的相互作用，并且形成相對高應力和損害晶 格4建合的薄區(qū)域以限定裂開起始區(qū)域1708。如所示出的，所形成的 裂開起始區(qū)域1708是小的平面區(qū)域，其從周邊區(qū)域1704的一部分 朝向裂開區(qū)域1706中延伸。由于通過在小于表面區(qū)域總面積的 1 -3%的區(qū)域中輻射離子粒子而執(zhí)行圖案化注入，所以該起始劑量可 以高于擴展劑量。這使得平均面積劑量保持得很低，以便提高生產 率。當然，可以存在許多替換、改變和變型。
基本上是0的剪切區(qū)域
本發(fā)明的特定實施方式尋求改變裂開構造以降低、消除、或控
制在擴展裂開斷裂的尖端處的剪切模式n應力強度因子(kii)。在 這樣的條件下，使得裂開作用能夠沿期望的裂開面進行。在條件KII-O是對于裂開方向的理想條件時，存在KII的特定 范圍，在該范圍內，裂開將會沿著結晶裂開面或沿著氳注入劑量面 而進行。因此，在條件使得能夠將KII保持在O周圍的有限范圍內 的情況下，可以期望裂開作用繼續(xù)以^更沿著裂開面。
下面的討i侖將針對一般線彈性斷裂力學(LEFM)方程，該方 程可以控制根據本發(fā)明實施方式的裂開。該分析假設具有大面積板 (tile)，其中膜顯著地比硅板(silicon tile )的其余部分更薄。
圖2示出了起始工藝之后的才幾械構造。具體地，乂人具有厚度H 的硅錠襯底的其余部分部分地釋放厚度h的厚膜。由于襯底相對于 裂開材沖牛的顯著更大的尺寸，所以可以理解h H，并且纟反力矩(tile moment)和力M2、 Pz和M3、 Pg非常小。因此，在裂紋尖端處看到 的應力強度源是由M,和P!支配的，并且力矩和力津馬合于該部分釋 放的厚膜。
本發(fā)明實施方式的基本概念是氫裂開面。氫裂開面(H面)影 響通過應力和層弱4b效應的裂開作用。具體地，H面可以用作專交高 劑量的起始層以及當劑量較低時的？ 1導或擴展層。在這兩個劑量形 式下H層的作用是不同的。
才艮l居范圍端部(EOR, end-of-range )氫注入層的裂開作用的一 種效果是，在裂開面周圍的斷裂強度降低。通過鍵合損壞以及通過 由氫本身存在引起的應力，可以導致斷裂強度的這種降低。這兩種 考慮因素均可以降低在裂開過程中形成新表面所需的能量。
在裂開過程中形成新表面所需的能量在下文中被稱作表面能 (y)。在未注入的單晶硅中，對于{ 111 }取向，表面能為約1.2 J/m2， 雖然硅中的斷裂韌性有時^皮才艮道為4-6 J/m2 ，并且包括諸如晶格捕 獲(lattice trapping )的效果，以給出有效能量用于產生新表面。對于在{ 111 }取向上的硅的以下分析，將假定每表面(總共為2.4 J/m2 )的表面能是1.2 J/m2。
相反，沿注入裂開面的改變的表面能的數值(y')可以基本上 更低，可能低5或更大因數(倍)。有效裂開面的表面能值(y')根 才居以下關系與為注入的表面能(y)有關
(1 ) y' = aH2*y
其中，(XH是O至l之間的因子，其用來量化由于氫脆變引起的
裂開能的降低。aH這一項考慮了為產生所有應力和鍵合損壞效果的 ;晴確表示所必須的所有效果。ai^皮實-驗地確定作為裂開能、劑量、 注入熱條件、和后注入熱條件的函凄丈。
如果H劑量脆變效果正比于應力強度，則可以理解，裂開能與 劑量二次相關如下。對于小于約3-4 x 1016cm-2的相對低的劑量
(2) aH=l/(l+kH*cp)
其中，kH是待被實驗確定的常數，而cp是氫劑量。 將等式(2)代入等式(1)中得到
(3) y'=[l/(l+kH* CP)]2,
由于在線彈性斷裂力學中裂開能是基本參數，所以注入劑量與 能量之間的相關性使得能夠精確地預計裂開用作并對其建模。
在裂開工藝期間形成兩個表面。因此，裂開能釋放率(G，)與 表面能相關如下
(4) G^2承y，-2承aH2*y根據脆變因子(aH), G，可以從約2.4 J/m2變化到基本小于裂開 面內。例如，在涉及50^im厚單晶硅膜的實驗中，由2-8 x I016cm-2 的H注入劑量形成的在裂開面中的裂紋表明，只于于大于約4-6 x 1016 cn^的H劑量，如通過雙懸臂梁機械構造測得的，存在可測量的裂 開能的降低(aH2< 1 )。
較低的裂開能可以具有？ 1導效果，以便在擴展期間將裂開面保
持在弱化層中。這是因為如果(XH較低，則從裂開面分支出的能壘將
更高。例如，高劑量注入可以導致注入中裂開能充分降低，膜可以 乂人村底簡單剝離。
對于具有較低氫劑量(小于約4 x 1016cm—2 )的裂開面，已經實 驗確定了oiH2 1。當裂開能基本上具有固有裂開能量值時，較低劑 量時的裂開引導由此主要由注入的氫壓縮應力分布支配，這有助于 將裂開前部保持成沿裂開面擴展。具體地，引導效果是由面內壓縮 層產生的剪切力，當裂開前部移動遠離壓縮應力分布的中心時產生 該面內壓縮層。裂開前部深度離開壓縮應力的該中心點的<壬<可偏離 ^)奪傾向于產生具有才及性的面內(KII)剪切力，其試圖在剪切應力強 度值的范圍內(非0的KII)將裂開前部保持成平行于裂開面并在 該裂開面內擴展。因此，如果裂開前部開始向上移動至表面，則正 (Kn)剪切力將朝向中心向下引導裂開前部。相反地，如果裂開前 部開始向下移動進入板，則負Kn剪切力將朝向中心更高地引導裂 開前部。
這種現象發(fā)生的原因在于，在裂開期間產生的任何非0的KII 將傾向于引導斷裂面遠離裂開面從而最小化KII?？梢酝ㄟ^由裂開 層產生的剪切而一定程度上控制這種效果，該裂開層是在相反方向 上產生的。該結果是裂開深度的凈偏置，在KII-O的情況下，其 變?yōu)樾铝验_深度。已經實驗觀察到了裂開深度的這種輕微移動，并且裂開層可以 吸收的最大剪切與裂開面處存在的壓縮應力水平和限定裂開面的
注入的蔓延(straggle) ( Rp )有關。 一旦剪^刀應力？K平高于該臨界 水平，則裂開前部將跳出裂開面，并且將發(fā)生裂開失效。
因此，潛在重要的設計考慮是具有這樣的裂開構造，該裂開構 造最小化所引起的KII剪切力，以便以低擴展劑量使得受控的裂開 處于期望的深度。通過KII應力強度的捕獲范圍能夠對該效果進行 建模，在該范圍中，裂開擴展方向繼續(xù)處于平行于并靠近KII~0 斷裂擴展面。
KII應力強度因子的上限和下限^皮限定為Akh.和Akh+，其中失 去了裂開方向控制。對于裂開工藝的設計，這些參數是重要的，這 是因為低捕獲范圍將意味著裂開面可以容易分支并且導致裂開失 效。
確定Akii-和Aiai+因子作為劑量和注入/退火條件的函數，也將 與裂開系統的設計有關。評價的AKn-是約-0.18MPa-m"2,其用于針 對{ 111 }硅(其中cxh2 ~ 1 )將擴展保持為具有-0.779的復合比 (mixity )( KII/KI)(沒有膜應力P！的膜混合模式M,的混合模式應 力強度比率)。
裂開失效基本被限定為裂開面的不期望的分支，其通常會導致 斷裂膜。因此在裂開技術的設計中需要考慮的是避免裂開面的不期 望的分支。例如，被發(fā)現影響不期望分支的其他因素包括晶體取向 和注入劑量以及深度和溫度分布。
已經發(fā)現其他效果是重要的。例如，對于單晶硅，在裂開面附 近注入的以及用于產生P,裂開應力的熱能將受到以下事實的影響 注入的裂開面具有在被未注入的單晶硅上基本更低的熱導率。這種更低的熱導率是由于氫注入損壞造成的并且將傾向于改變溫度分 布，其進而將改變裂開應力。
已經開發(fā)出了一系列閉合形式的等式，以研究裂開行為。這些
等式的開發(fā)假設了，在襯底的深度(h)處存在由裂開初始化導致 的開始裂紋，從而限定了裂開膜的厚度。在許多實例中，h=50^im, 但是在這些等式中允許任何膜厚度。這些模型假定5 mm的分離膜 長度(即，c或有時是L)。幾何形狀是二維的，這意味著寬度w不 會隨著沿線發(fā)生的裂開而變化。
裂紋開口力模式(KI)以及面內剪切力模式(KII)在對于對 裂開工藝進行建模中是重要的參數?？梢灶A計，如果利用用于該裂 開構造的已知的斷裂能量，則所得到的導致裂紋延伸和擴展的條件 將與石圭或<壬<可其他材泮+匹配。例如，當G，超過2、，時，對于未注入 層來說，在單晶硅中發(fā)生的斷裂條件已知是約2.4 J7m2。
用于斷裂擴展的閾值;陂如下限定<formula>formula see original document page 26</formula>
其中，E，-平面應變等式，其被限定為E， = E/(1-d2),并且對于 本申請文件，G是G，，并且通常通過等式(4)與裂開面相關<formula>formula see original document page 26</formula>
圖2示出了擴展問題的一般情況。將等式(4)代入等式(5) 中4尋到以下用于KI和KII的解<formula>formula see original document page 26</formula>其中Pn和Mn分別是作用在各個構件上的力和力矩。
KI和KII因子則采用以下形式
<formula>formula see original document page 27</formula>
其中，長口通過由Hutchinson和Suo在"Mixed Mode Cracking in Layered Materials", Advances in Applied Mechanics, Vol. 29 (1992)中 詳細描述的力、力矩和幾何結構來獲得這些參數，其通過引用方式 整體結合于此，用于所有目的。
如果假設剩余襯底的厚度(H)相比于膜厚(h)是非常大的， 則可以簡化以上等式(7， 8),并通過以下將它們折為等式(9, 10):
丫(角度)=0
P = P1
M = M1
U= 1
V= 1/12
(D = 52.07度
Tj =固 0
所有c常數是零
，
^ (9， 10)等式(9, 10)將用于針對M2、 P2和M3、 P3是零的情況得到 裂開方法的各種構造。基于構造的等式中的僅有的變化包括用于特 定加載條件的適當的力(P)和力矩(M)的關系。下文中將討論
M2、 P2和M3、 P3不是零的情況。
導致KII取消的裂開構造
一般等式9和10表明，賦予給膜的力和力矩將如在等式中描 述的在裂紋尖端處產生KI和KII應力強度因子。膜作用力P是賦 予膜的且與裂紋尖端區(qū)域處的膜應力相關的每單位寬度的作用力， 作為P = cj * h。力矩是施加在力莫上的力矩，其在裂紋尖端處產生M。 M和P的關系在等式9中是加和的但在等式10中是相減的，這表 明施加P和M可以在KI方面進4于加和而在KII方面進4于相減。因 此，如果力矩M和膜應力作用力P選擇正確，則在取消KII (零)
勢來沿裂開面擴展。這種優(yōu)化的條件組將允許進行低劑量或零劑量 的裂開面#:作，甚至允許通過M和P的控制的受控深度引導作為 在裂紋延伸期間獲得的實際裂開深度的函數。根據本發(fā)明實施方式 獲得了這種降低的劑量或無劑量的條件以及對于裂開深度的控制， 并且還有一些其^也重要益處。
在模型中4吏用的坐標系
為了量化各種構造，限定坐標系具有沿X方向(指向右側的正 X)的裂開面，沿Y方向(指向上方向的正方向)的膜厚度，并且 Z的正方向是離開紙面的。該坐標系用在有限元分析(FEA)編碼 中?？蓮腃anonsburg, Pennsylvania的Ansys, Inc.獲得的軟件(下文 中稱為AnSys軟件)用于對裂紋擴展系統進行建模，并且包括與界 面的粘著區(qū)域才莫型(CZM)相互作用的熱和^/L械部分(部件，part)。CZM編碼4吏得能夠確定所施加的應力和力矩將擴展斷裂所處的條 件。
將圖2中的構造輸入AnSys軟件，其中該分離起始的膜是朝向 左側的。結果總結在以下部分中，并且這些結果表明不同的加載(P 和M)構造產生的KII取消作用。
力矩施加^t
施加于膜的力矩將膜彎曲離開襯底的剩余部分。這樣的彎曲將 產生傾向于破碎膜的KI和KII條件。如果使用純力矩(P=0),則 KI和KII將根據力矩值而改變，但是，將具有-cos(co)/ sin(co)或-0.78 的(KII/KI)恒定比率，這是因為o是不變化的，其值為52.07度。 該比率被限定為應力強度的復合比，并且其值確定了用于擴展前部 在厚度(Y方向)改變的趨勢。因此，在復合比(咬住膜)中，力 矩施加是負的，并且正比于如由裂紋尖端所經歷的力莫的彎曲。
存在將力矩施加于膜的穩(wěn)定、亞穩(wěn)定、和不穩(wěn)定方法。下文總 結主要構造。
恒位移加載
在離開裂紋尖端特定距離處施加于膜的恒定位移被認為是穩(wěn) 定的加載構造，這是因為任何裂紋延伸將降低所施加的力矩。增加 位移以再次加載裂紋尖端，并且可以恢復擴展過程。在預裂開膜下 方的某點處沿X和Y兩個方向用于發(fā)展固定^_離的刀片或其4也裝 置將產生恒定的位移加載。恒力加載
在離開裂紋尖端特定距離處施加于膜的恒定力^皮i人為是不穩(wěn) 定的加載構造，這是因為任何裂紋延伸將降低所施加的力矩。這將 通常導致未受控的裂紋延伸，因此不是優(yōu)選的加載構造。
恒定力矩加載
利用如這里所述的特定構造可以產生加載在膜上的恒定力矩。 該構造的 一 個優(yōu)點是該系統在無需主動幫助的情況下保持期望的 力矩加載的能力。如果在施加第二加載的情況下發(fā)生裂紋延伸，則 例如，該系統將持續(xù)被相同的力矩加載。如果選擇力矩超過材料的 斷裂強度，則避免這種構造，因為可發(fā)生不受控的裂紋延伸。
可以穩(wěn)定地或亞穩(wěn)定地或以動態(tài)方式地(諸如共振或不共振地 超聲波刺激膜)施加膜彎曲力矩。在所有的情況下，根據本發(fā)明的
特定實施方式，賦予裂紋尖端的力矩加載M祐:設計成才艮據設計要點
利用超聲波運動、位移和力來增加KI和KII應力強度因子，以使 得沿期望的裂開面進行受控裂紋擴展。
如果裂開面的引導是充分的(高Akh.和Akh+)，則將沒有理由 將P加到構造上，并且沿期望的裂開面的閾值裂紋延伸是可能的。 如果Akii-和Aiai+足夠高以抵抗該力矩加載構造的-0.78的固有 KII/KI復合比，則將會發(fā)生這種情況。在硅中這種情況不會自然發(fā) 生，但是當具有優(yōu)化的裂開面時，這可以是充分的加載構造以完成 膜分離。利用壓力和限制板的恒定力矩加載實例
才艮據特定實施方式，位于襯底上方的^反可以用于限制在裂開工 藝中分離的膜的運動。具體地，限制板的存在用來降低當使用第二
加載時在裂開期間的面內剪切模式分量(KII)。
在特定實施方式中，可以與乂人側部施加的壓力源相結合i也應用 才艮據本發(fā)明的限制4反，以完成膜從襯底的裂開。圖3A示出了本發(fā) 明這種實施方式的簡化示意圖。
具體地，限制板400設置在襯底或板404的前表面402上方， 該襯底或板的后表面406支撐在盤(未示出)上。限制板400與下 面的襯底分離距離Wo。將壓力410 (例如從氣體噴射器)施力。于襯 底404的側部，導致預分離的膜412推開遠離剩余襯底并賦予恒定 力矩加載。在此過程中，通過存在板400來限制膜412的移動。
產生的膜應力的模擬結果。圖3B中的視圖示出了具有5 mm長度 和50 iam的厚度的預分離膜，該預分離的膜通過利用幾psi的壓力 而被向上移動(擴大)并抵靠限制板。壓力將膜朝向位于表面上方 的限制板移動。這里，在建才莫中使用了 50jxm的間隔(Wo)。
由圖3A的構造提供的優(yōu)點在于其簡單性以及相對容易地產生 擴展斷裂所需的應力。使用限制板而賦予的益處在于，無需刀片來 執(zhí)行裂開。可替換地，如果將限制板與位移形式的裂開結合使用(例 如，刀片)，則刀片上的摩擦力可以降低到任意低的數值。
才艮據本發(fā)明的限制板的實施方式可以利用諸如真空力或靜電 力的力來吸引和保持裂開的膜。在特定的實施方式中，限制板可以 是多孔的，使得可以供應正壓力以形成支撐被吸《I的裂開膜的空氣支撐面，從而當裂開進行通過襯底時使得襯底/P艮制板相對于彼此平 移。
有關圖3A的構造(以及其他力矩加載構造)的一個問題是其 高的負KII復合比。這可易于咬住(卡住)膜。
在該構造中，等式(9, IO)的P和M如下
P=0 (無應力沿X方向賦予膜)
(11) M = p*c2/(4*k)
其中，M是每寬度的力矩，因此具有力的量綱，而不是力*距 離。P是在膜下方賦予的壓力差，而c是在膜與限制4反分離所在的 點到裂紋尖端之間的距離。
等式(11)的因子k是可以根據限制板與膜之間的摩擦而改變 的參數。如將示出的，本發(fā)明實施方式的4艮許多基本要素與k無關。
不同壓力加載構造具有可以;帔計算的相應的k。未限制的膜(無 頂板)將具有k=l/2，同時圓形氣泡的膜將具有k=2。使用限制板， k取決于膜被固定到限制板上的方法。假設膜僅沿Y (豎直)方向 被限制并且無摩擦，則AnSys軟件的模擬示出了 k因子是約sqrt(2)， 因此這將用在等式的推導中。在KII-O的關系中，k因子不發(fā)揮作 用，因此由1到1.5的不同k因子引起的任何誤差將被認為是很小 的。
KI和KII等式(9, 10)由此4爭4炎成等式(12, 13):
(12) KI = 61/2 * p * c2 * sin(①)/(4 * k * h3/2)
(13) KII = -61/2 * p * c2 * cos(co)/(4 * k * h3/2)再次，KII/KI復合比將與壓力無關，并且因此膜將由于高的負 KII而傾向于以合理的幾〗可形^)犬而4斤斷。
裂紋爿尋延伸時的壓力p為
(14) <formula>formula see original document page 33</formula>
假設k = sqrt(2),未注入的石圭，c=3.3 mm (經歷壓力P的裂紋 長度)，以及h=50 |iim，則臨界壓力P是約52 kPa，約0.5個表壓力。
利用AnSys軟件進行的模擬已經證實了 ，利用上述參數，裂開 擴展在約51 kPa下發(fā)生。因此對于應力強度因子建模和預測裂紋延 伸的開始，該等式祐j人為是相當4青確的。
AnSys軟件還用于提取模式I (裂紋開口 )和模式II (面內剪 切)裂開能量，這里分別被指定為Dl和D2。具體地，在CZM去 鍵合(裂開)時提取這些裂開能量。該被提取的數據可以顯示出 KII取消方法的功效。
為了測試AnSys軟件，利用位移和剪切裂開加載來與只有M 和只有P的裂開構造的封閉形式的方案(解，solution)進4亍比專交。 在所有的模型中，裂開能量是2.4 J/m2,楊氏模量是187GPa,熱擴 l系凄t是2.5 ppm，以及泊^H匕是0.272。
在^又有力矩的測試中，利用5 mm力莫的500 (im的位移來測量 裂開能量D1和D2。圖3描繪了作為裂開區(qū)域的質心距離襯底突出 邊緣的距離(以nm為單位)的函數的幾個數值。圖4示出了約0.6 的復合比，以及約2.2 J/m2的總裂開能量(Dl+D2)。與期望的值 0.78相比，該略微低的復合比數值是在模型中使用的薄底部硅的結 果。當底部硅的厚度增加時，復合比漸近地提高到數值0.78。在<又有P的測試中，熱剪切裂開測量裂開能量Dl和D2。圖4 描繪了作為區(qū)域的質心距離襯底突出邊緣的距離(以(im為單位) 的函數的幾個數值。圖5示出了約2的復合比，并且裂開能量為約 2.2 J/m2。與對于純剪切裂開的期望的值2.2相比，該略孩"氐的復合 比值是在模型中使用的薄底部硅的結果。當底部硅的厚度增加時， 復合比漸近地提高到數值2.2。
通過位移加載的裂開擴展
根據特定實施方式，可以通過位移加載來引發(fā)裂開，在裂開期 間沿遠離襯底表面的方向在膜上拉到特定距離。這樣的裂開方法的 實例利用了將刀片插入以在裂開期間將膜拉離襯底。在這樣的實施 方式中，P=0且M=Fw*c,其中Fw是每單位寬度(進入紙的方向) 的力，而c是距離施加載荷的裂紋尖端的裂紋距離。
在這些加載參^:下，KI和KII等式為
(15) KI = 61/2*Fw*c*sin(co)/h3/2
(16) KII = -61/2*Fw*c*cos(o))/h3/2 裂開所需的力通過以下等式與f相關
(17) Fw=[E，*h3s|Y/(3*c2) ]1/2
負KII意p未著裂紋將傾向于向上偏離，在利用該構造企圖向上 彎曲膜的過程中折斷膜。
在一個實施方式中，50pm的相對厚的刀片(裂開石圭膜的塊) 能夠在被推到部分裂開的膜下方時延伸裂紋。該實驗涉及大約2-3 x 1016cm-2的注入劑量水平。觀察到2 mm延伸，但是被插入的塊(物體，piece)以結合與膜的方式結束，并且無法在之后被移動。由于 該結合對于表面摩擦、刀片厚度和其他參數非常敏感，因此這種技 術可以有效，但是這么做沒有獲得KIPO的益處。換句話說，在沒 有KII取消的情況下，刀片或其他形式的位移裂開將更大程度地依 賴于較弱的裂開面或裂開面壓縮應力以補償該構造中的非零的 KII。
利用超聲波方法用于破壞靜摩擦/結合的薄類金剛石碳(DLC ) 涂覆的刀片可以使得能夠利用刀片技術。當尖端區(qū)域被沿已經裂開 或開始區(qū)域向內推動時，通過才幾械刀片施加聲能，并將其傳輸到尖 端區(qū)域。在一個實施方式中，可以利用超聲能量源或宏只見聲能源 (megasonic energy source )來產生聲能，該能源可才喿作;也壽禺合于才幾 械刀片。到達尖端區(qū)域的聲能可以導致在裂開前部或尖端區(qū)域附近 的半導體斥于底才才并牛的超聲》皮刺^效(ultrasonic excitation )。 當尖端區(qū) 域向前推動裂開前部時，這樣的超聲波刺激有效地加速了4建合斷開 過程。因此，在施加聲能的幫助下，裂開作用可以是更加有效和生 產性的。還可以提高才幾械刀片的壽命，這導致了進一步成本節(jié)約。 利用壓力幫助還可以降^氐刀片方法的結合力。
膜應力施;MH^ (P加載)
在特定的示例中，僅有力矩的加載不足以提供通過大面積的可 靠的膜裂開，并且KII剪切應力強度因子的減小是必須的。存在將 膜應力賦予裂紋尖端的不同方法，使得KII減小或被取消。這里還 開發(fā)出了熱方法，其他方法是可以的，諸如在剪切才莫式中應用超聲 波能量，或通過沿膜(X方向)機械地產生力。
基于來自力矩加載的負復合比，熱加載(熱負荷，熱載荷)AT 必須具有正確的符號，以使KI增加而KII降低。等式9和10表明 這種情況將在以下條件下發(fā)生(i)如果在裂紋前(在膜厚內仍舊是附接的)賦予快速冷卻；(ii)在裂紋尖端后在分離的膜上施加動 態(tài)加熱，其中條件(i)可以單獨使用或與條件(ii)結合使用。這 些構造看起來是相同的，如在裂紋尖端前在裂紋尖端區(qū)域上通過膜 拉動，這與在裂紋尖端后在裂紋尖端區(qū)域上通過膜推動是等效的。
兩個構造都將產生出正確符號的載荷(P)，但是在裂紋尖端前 部被附接的或在其后部被分離的膜之間的差異將導致在用于施加 載荷的方法中的顯著不同。這里，P是沿膜的每單位寬度的作用力， 而小寫(p)是在恒定力矩加載構造中處于膜后面的壓力。
4吏用熱沖擊的裂開
才艮據特定實施方式，可以通過在膜層中由熱差導致的應力的作 用而實現裂開。具體地，將襯底暴露于冷卻(冷沖擊)可以導致膜 的裂開。如果冷卻量由于〗氐溫是困難的，則在施加冷沖擊之前相對 4交長時間的加熱(熱浸)可以有助于增力口熱乂于比(熱差，thermal contrast )?？商鎿Q地，在裂紋尖端后的膜的沖擊加熱將在特定條件 下產生用于前移裂紋所需的應力。在此部分的后面將更詳細地總結 兩種P力口載構造。
將用于熱誘導膜應力的條件結合到KI和KII等式中如下 M=0
(18) P = cyth*h
認識到通過材料中溫度變化而產生出aCTE * E承AT大小的熱應 力函數，其中熱擴散系數是acTE,該等式變?yōu)?br>
(19) P = aCTE*E*h*AT其中AT是經受熱處理的膜與^皮連接材料之間的溫差。
將熱誘導應力代入等式(9, 10)中，得到用于KI和KII的以 下等式
(20) KI = aCTE * E * h1/2 * AT * cos (co) / sqrt(2)
(21) KII = aCTE * E * h1/2 * AT * sin (co) / sqrt(2) 注意到KII之前沒有負號。
僅有熱的裂開能量等式可以推導如下
(22) G， = 2 * y， = 1/2 * aCTE2 * E * h * AT2 * (1-v2)
根據本發(fā)明的特定實施方式，可以結合正熱KII和負力矩KII 的作用，以產生裂開擴展技術，該技術使得同時獲得0， = 2* y，(或 任何合適的閾值裂開能量條件)和KII=0的條件。
具有冷沖擊的壓力加載(恒定m)(未裂開膜的冷沖擊加載)
在該實施方式的實例中，利用
(23) P = aCTE*E*h*AT (在裂紋尖端的前方pf處/人膜到^j" 底的冷源(散熱片，thermal sink))
(24) M = p * c2/(4 * k) (具有壓力源和限制4反的恒定力矩 加載)用于KI和KII的等式變?yōu)?br>
(25) KI= aCTE * E * h1/2 * AT * cos (co) / sqrt(2) + sqrt(6) * P * c2 * sin(co)/(4 * k * h3/2)
(26) KII = aCTE * E * h1/2 * AT * sin (o) / sqrt(2) - sqrt(6) * P * c2 * cos(①)/(4 * k * h3/2)
同時滿足兩個條件(i) G，-2承y，和(ii) KII-O的這些等式的 求解將溫差通過以下方式耦合于壓力
(27) (xCTE * E * h2 * AT * sin (co) / sqrt(2)= 61/2 * p * c2 * cos(od)/(4 * k )
利用第二條件2 * y， = KI2/e，，臨界受控裂開條件可以計算如
下
(28) AT臨界=[2 * y， / (aCTE2 * e * h * (l隱v2) *1.323)〗1/2 并且為確保這些條件而待選擇的臨界壓力是
(29) p臨界=4 * aCTE * AT臨界* E * h2 * sin(co) / (61/2 * c2 * cos(co))
對于限制板與襯底表面之間的距離(Wo)是50 nm的情況， p臨界是大約41 kPa,低于僅有壓力的裂開所具有的約50 kPa。臨界 溫度載荷是-183。C (冷卻)。
KII取消條件可以被理解為如下用于50 (^m硅膜以及置于表面 上方50 |um的限制板。在一種方法中，將41 kPa的壓力載荷施加于 膜，導致膜彎曲，并且在裂紋尖端上施加大約0.0808 N-m的力矩。在未裂開側上，靠近裂紋尖端施加-183。C的熱冷卻。當施加熱 加載時，KII降低同時KI增加，直到達到斷裂能量條件并且裂紋延 伸。由于在條件KII-O時也發(fā)生延伸，所以裂紋4尋沿裂開面延伸一 點或沒有移動離開裂開面的凈趨勢。
如果超過熱加載，則附加能量具有纟艮小的效果或沒有效果，以 改變KI》0的條件，這是因為裂紋將以非常高的速度延伸，是材料 中的聲速的約20-40%。對于《圭，這是約1.5 mm/ns至約4 mm/Vs。 任何附加能量僅冷卻已經裂開的膜材料。
圖6A描繪了在42 kPa的施加壓力下裂開能量與溫度孩史分 (temperature for differential)的關系曲線。
利用AnSys軟件對結合的壓力/熱裂開模型進行建模，并且該 模型呈現了預期的功能性。具體地，假設未注入的硅層作為最壞的 情況，則AnSys軟件模型已經利用以下參數運行了
Wo=50 限制玲反
起始裂開膜的長度=5 mm
h=50 jam
^f叚i殳4吏用了熱加熱和冷卻源。
這種特別的裂開方法被建模成二維穩(wěn)定結構分析，其具有穩(wěn)定 壓力和瞬時熱溫度分布作為輸入負載。觀察到，對于KIPO裂開擴 展所需的AT熱加載是-183。C,非常接近預計的閉合形式的解。
為了實現相對大的冷卻瞬時，熱浸(2 ms力口熱到300。C )接著 30 kis冷卻瞬時的結合用于產生期望的熱加載。在沒有任何加熱源的情況下，KII/KI復合比可以高至-0.779。 如才艮據才莫型計算的，將壓力設置在預計的42 kPa。在施加來自所施 加的氣體噴射器的全溫度負載和壓力(大約6 PSI)的情況下，起 始膜被向上推抵靠到限制板，并且產生出3.3-3.5 mm的有效長度 (c)，向下至非起始膜。圖7示出了在熱加載之前不久的全負載壓 力。
為了使得加熱瞬時避免導致G，達到或超出裂開斷裂能量，使用 了長的熱加熱浸透。該長浸透在加熱周期期間 <呆持裂開面的頂部與 底部之間的低溫差。對于300。C的頂部溫度，々￡設具有2 ms的浸透 時間(保溫時間，裂化時間，均熱時間)。圖8A示出了對于第一區(qū) i或的2ms〉菱透時間結束時4尋到的熱分布。
圖8A的熱分布清楚地示出了通過膜的相當恒定的豎直剖面。 因為相對于大約30 ns的膜的熱時間常凄t，相對'隄的溫度傾斜 (ramp)，所以在斷裂面中產生出不充分的KI和KII,并且月莫裂紋 并不延伸。
接著，如圖8B所示，引入快冷卻瞬時以便在膜中產生出拉伸 應力分布，從而將需要的熱應力賦予到系統中。利用在表面上即時 施加0°C溫度在30 |xs內形成4立伸應力，乂人而產生-300。C的熱載荷。 該短時間確保了在裂開面的4又一側上在幾乎整個膜厚(h)中出現 拉伸應力，并且因此產生出足夠的力P以超過裂開斷裂能量。與 183°C的閾值相比，過大的值還將用來確認該過程利用傾斜熱源獲 得KII消除的能力，該傾斜熱源超過閾值斷裂能量值。
注意到，利用這種熱構造，冷卻瞬時的施加必須發(fā)生在小于膜 熱時間常數的時間尺度。對于50 nm桂膜，例如，時間常數是約h2/Dth 或大約36網(Dth是大約0.7 cm2/s的硅熱擴散率)?？梢岳镁哂?足夠傳遞特性的低溫液體、固體或氣體的流來施加冷沖擊。干冰霜(co2)或液氮是冷沖擊源的兩個實例。可替換地，通過適當地預 加熱塊狀體(brick)可以松弛(延緩)(加長)冷沖擊時間常數， 以引起期望的有效溫差。
圖8B示出了在施加該冷卻瞬時之后的熱分布。膜拉伸應力的 有利熱分布導致期望的KII=0條件。
利用所施加的42 kPa壓力， 一旦存在充足的拉伸應力，則在 KII-O時發(fā)生裂紋擴展。對于這里建模的更復雜的熱分布，p和溫 度的分布可能是必須的，以利用實際方法進行加熱和冷卻，從而匹 配能量和KII裂開條件。
控制所發(fā)生的裂開，并且該裂開呈現了雙步驟裂開進程，其中， 加熱周期不擴展裂開。短暫的冷卻瞬時導致裂紋前部擴展至下一區(qū) 域。圖9A-9D示出了通過AnSys軟件建模的加熱/冷卻裂開序列。 剪切應力圖清楚示出了裂開位置和裂紋尖端。注意到，加熱周期示 出了下部正剪切，這表示缺少可以用于擴展的裂開能量。
這種類型的熱載荷的施加可以進4于通過熱載荷序列的后續(xù)掃 描(scanning),以擴展裂開并且將膜的逐漸更大的部分分開。因此， 恒定力矩加載的優(yōu)點在于，在施加期望的力矩之后，擴展將力矩保 持在期望的數值上，而與裂開前部的位置無關。
圖10描繪了在線性標度上的幾個數值，其作為從該區(qū)域的質 心到襯底的突出邊緣的距離(以pm為單位)的函數。圖IO示出了 與以上圖5的非溫度(P=0)的結果相比專交的KII的一階減小。圖 IO示出了 KI現在是對于裂紋能量的主要的應力強度貢獻者，其中 Dl幾乎等于裂開能量2 * y，或2.4 J/m2。復合比KII/KI和D2非常 低，因此證實了消除構造的作用。如;f莫型中所示，裂開快速且可控地進^亍通過每個區(qū)域。雖然后
面的區(qū)i或的長度是250 jim，〗旦是這可以增加而無需降〗氐裂紋^f亍為， 只要壓力保持為使得裂開前部擴展并且使得斷裂體積增加。
根據特定的實施方式，對于熱浸/冷沖擊源的掃描可以使得裂開 前部繼續(xù)擴展。例如，如果利用10ms來覆蓋250pm的材料長度， 則在大約6秒內可以裂開156 mm的板。這假設了在板的寬度上施 加了熱和壓力加載，并且以約2.5 cm/s的速率進4亍線性掃描。
雖然上述實施方式描述了通過施加恒定壓力結合重復施加熱 沖擊而執(zhí)行裂開，但是這不是本發(fā)明所必須的。根據特定的實施方 式，可以改變所施加壓力的大小，以獲得期望的裂開特性。
熱加熱沖擊裂開
在裂紋尖端前代替冷卻熱沖擊，可以在裂紋尖端后在膜上施加 加熱沖擊。為了^f吏得熱沖擊在該構造中有效地產生P，在通過^f吏得 月莫移動離開裂紋尖端區(qū)i或而形成擴張(expansion)的力學+>弛前， 熱的施加產生了沖擊波(shock )。
與其中熱沖擊時間與膜的熱時間常凄t相聯系的冷卻構造相比，
以與膜材料的聲學時間常數同階的時間標度來施加膜加熱構造。因 此在100納秒至幾孩吏秒的子范圍內，以非常短的時間間隔來施加快 速加熱，這取決于熱沖擊的寬度和其與裂紋尖端的接近程度。
為了實現閾值裂紋擴展條件(AT = 183°C)，例如，在50 pm 硅上，250 ns內，需要大于6 MW/cm2的功率密度。在硅的絕熱加 熱狀況下，這是非常高的功率密度。為了避免沿硅膜的深度產生熱應力，其可以導致凹陷形式的損 壞、表面熔化、膜碎裂和裂紋，因此體積加熱優(yōu)先于表面加熱。電
子束(E束)加熱是施加這種加熱的良好的備選4支術，因為它可以 體積地加熱膜的一部分(裂開或未裂開)。
還可以通過下面的一^:特性高度地控制E束。E束〗吏得束以高 可控性和速度在大面積上進行掃描。E束使得對于束強度和直徑(微 米至厘米尺寸)進行精細控制。E束使得對于從納秒至CW的脈沖 進4亍控制。E束通過改變電子束能量(keV至MeV，對應于/人幾樣史 米至幾厘米的束穿透范圍，參見圖11)對于加熱深度進行控制。
因此，通過選擇束直徑、束能量和束強度可以容易地控制束的 功率通量(powerflux),同時通過束能量來選擇穿透范圍。例如， 50 jam電子束在石圭中的穿透是約80 keV，而0.5 mm束直徑250 ns 內將需要200 mA的束強度脈沖?？商鎿Q地，利用被充分迅速掃描 的CW束可以進行脈沖束處理。例如以上，所需的束掃描速度是0.5 mm/250 ns或200,000 cm/s。上述特性中的大部分(如果不是全部的 話)可以在用于精確真空焊接和材料改性應用而建立的本系統中被 獲4尋。侈'J^口， 來自 Pavac Industries, Inc. (Richmond, B.C. Canada www.pavac. com)的e束系鄉(xiāng)充以及其^f也系鄉(xiāng)克可以用作纟色熱力口熱源。
E束將在KII取消構造中控制裂紋尖端的擴展。E束技術也可 用于引發(fā)膜的第一區(qū)域，以及可以在純剪切條件下裂開。下面描述 這些方法。
利用KII取消而控制裂開深度
保持對于膜厚的精確控制不僅對于獲得高度均勻的膜是重要 的而且對于避免裂開失效也是重要的。KII取消配置(scheme)提供了通過調整作為有效深度控制反饋的函數的被施加的力矩進控 制擴展裂開深度的固有能力。
等式25和26描述了 KI和KII應力強度因子如^f可隨著所施力ff 載荷而變化。p的升高將增加M，因此導致當裂開更加朝向表面擴 展時延伸裂紋變淺。相反地，較低的p將需要更多的熱能來實現斷 裂條件并將裂紋移動到更深的位置(deeper )。因此，通過調整壓力 p可以進行對于深度的控制，同時裂紋擴展以獲得期望的深度。這 說明了利用此技術，降低劑量或甚至無劑量的擴展是可以的。
用于KII-O之外的其他裂開構造的適用性
雖然上面已經關于壓力裂開和結合熱沖擊的使用而描述了實 施方式，但是這不是本發(fā)明所必須的。才艮據可替換的實施方式，可
以改變裂開序列，使得AKH-和AKll+因子特別高，并可以有效地引導 斷裂擴展經過整個裂開序列。在這樣的實施方式中，單一加載能量
源(壓力或熱)可以利用非零KII驅動裂開。在這樣的實施方式中，
脈沖(時間變化)壓力或掃描熱/冷卻源的使用仍然賦予裂開擴展中 的可控制性。例如，激光加熱源可用于產生-pl力，以產生剪切支
西己(shear dominant) ( KII支配)裂開條件?？梢酝ㄟ^裂紋尖端前的 石圭材料的加熱以及通過在裂紋尖端后直沖妄加熱膜且允許熱傳導以 ^f更進一步加熱具體裂紋尖端區(qū)域而注入激光能量。雖然應力強度復 合比將有利于朝向表面的裂紋擴展，但是由于加熱過程的原因，膜 壓縮將有助于阻礙在膜內的擴展以及沿裂開面的力剪切支配擴展。
熱沖擊^支術在M^始中的應用
以上與允許最低總劑量膜裂開過程相關地描述了圖案化注入 的l吏用。在所才是出的過考呈序歹'j (工藝序列，process sequence )中， 在較高劑量區(qū)域上進行膜起始，以便在寬度上部分地釋》文幾毫米的膜。這種^皮部分地釋》文的膜又可以用來在KII取消下或通過膜擴展 的其他方法而擴展裂開的平tf ( balance )。
E束技術、激光或閃光燈(flashlamp)技術可以用于將膜從襯 底分離。E束^支術可以特別地適合于這一目的，這是因為能夠調節(jié) 能量范圍以使得在靠近襯底邊緣的起始區(qū)域中膜溫度體積地升高。 脈沖能量在膜厚度內將隨著時間沉積，幾乎恒定的溫度升高AT, 其中溫度分布的急劇變化#1調節(jié)成位于裂開面處或附近。
圖13示出了通過E束暴露的硅的這種絕熱加熱，其描繪了對 于一段時間內的E束輻射的能量密度與進入硅中的深度的關系，其 中在膜體積中出現了 一些溫度平均。根據本發(fā)明的特定實施方式， 由絕熱E束加熱所引起的溫度梯度的急劇變化可以包4舌大于 10°C/^im的變4匕。
例如，250ns脈沖將僅將熱分布散開約5 nm,基本上小于膜厚 度。這將產生剪切裂開，該剪切裂開將限制在膜厚度范圍上出現熱 沖擊，并且產生可以可控地裂開膜的較大剪切。起始裂開可以在邊 緣處開始，并且延伸成覆蓋期望的膜寬度，以支持擴展裂開方法。 可替換地，起始裂開將在內部位置處開始，然后延伸至周邊。如果 使用內部起始裂開，則真空環(huán)境將通過降低膜褶皺(buckling)所 需的能量而有益于裂開過程，這是因為沒有任何合適的壓力產生針 對向上膜移動的恢復力。
熱沖擊沖支術在膜擴展中的應用
與恒定體積加熱特性相結合的強烈熱沖擊力永沖也將用于使得 膜從起始區(qū)域擴展。尤其是利用E束技術，可以均勻加熱膜厚度的 快脈沖施加能夠通過純剪切裂開或者在力矩的幫助下實現膜的受 控擴展。在美國專利第6，013，563中描述了 E束技術在膜裂開中的應用，該專利通過引用方式整體結合于此，用于所有的目的。根據
本發(fā)明的特定實施方式，可以沿垂直于襯底端面的方向施加E束輻射。
通過選4奪更高能量或更低能量的e束可以進行E束體積加熱的 匹配(范圍端部或Rp)。可以選擇E束能量以使得其Rp是大約待 裂開的膜的厚度，雖然在實際中，裂開深度的有效控制可以在裂開 深度與Rp之間具有一些偏移。
在這里特別有益的是使用E束輻射，這是因為可以調節(jié)能量范 圍以使得在裂紋尖端附近的擴展區(qū)域中膜溫度體積地升高，但是這 僅在未裂開的區(qū)域中。脈沖能量在膜厚度內沉積，幾乎恒定的溫度 升高AT,其中溫度分布的急劇變化#1調節(jié)成位于裂開面處或附近。
例如，250 ns脈沖僅將熱分布散開約5 nm，基本上小于膜厚度。 這將產生剪切裂開，該剪切裂開將限制在膜厚度范圍上出現熱沖 擊，并且產生可以可控地裂開膜的4交大剪切。
為了量化該狀況(方式，regime )， KI和KII等式26和27可 以祐:改變?yōu)閜=0，并且產生以下關系
(30) KI = aCTE * E * h1/2 * AT * cos (co) / sqrt(2)
(31) KII = aCTE * E * h1/2 * AT * sin (co) / sqrt(2) 僅有熱的裂開能量等式可以推導如下
(32) g， = 2 * y， = 1/2 * aCTE2 * e * h * at2 * (1-d2) 對于KII剪切裂開，在h上的所需熱加熱因此是
(33) AT = [ 4 * y， / aCTE2 * E * h * (1-d2) ]1/2作為一個實例，具有1.2 J/m2的50 jam的硅層將需要大約300°C 的接近同時的溫度升高。假設大約0.7 J/cm2-°C，則在硅表面上所需 的能量沉積為約2.44 J/cm2。利用具有0.5 mm x 0.5 mm射束點和250 ns束脈沖寬度的80 keV的E束脈沖，例如，對應于大約300 mA 的束強度。這在目前的E束技術中是很好的。
如果增加力矩，則G，等式^f皮改變成
(34) G， = 2 * y， = 1/2 * aCTE2 * e * h * AT2 * (1-d2) + 6 * (1-d2) * M2 / E * h3
該等式表明力矩的使用是附加的并且將降低實現裂紋延伸條 件所需的溫度AT。
AnSys軟件用于確認該裂開擴展模式。圖12A-12C示出了 50 Hm硅膜裂開FEA靜態(tài)結構模擬。在圖12A中，力矩N^0.08N-m 被施加在開始膜上(在第一 500 膜部分上)。開始在膜上的正溫 度傾斜，并且導致膜的褶皺剝離。圖12C示出了裂開擴展至加熱區(qū) 域的端部。
在0.08 N-m的力矩的情況下，通過等式35計算的擴展開動AT 是180。C。這與176°C的AnSys值非常吻合。相反，當沒有力矩時， 該值為約300。C。這些結果表明，褶皺膜剝離(由力矩幫助或沒有) 是實用的裂開構造。
在這種模式中使用E束加熱方法將是有益的，這是因為快速絕 熱加熱將給出4兌利的壓縮應力分布，這可以有助于引導擴展裂開。 還可以通過改變E束能量以及由此改變經受體積加熱的膜厚度來控 制裂開深度。還對被加熱區(qū)域寬度的選擇進行確認，以產生對于裂開延伸的 控制。被加熱區(qū)域的寬度將一階地指示將在加熱周期中發(fā)生的裂紋 延伸的量。這是因為在裂開前部已經到達被加熱裂開區(qū)域的邊緣之
后，G，將下降并且擴展裂開將停止。
最后，與注入裂開層結合使用的任何加熱技術將有助于更有效 地使用注入誘導的應力。這將通過更高的溫度而發(fā)生，進而又增加 注入應力(通常正比于kT)。因此，加熱3永沖將對于裂開面具有其 次的有益效果，增壓裂開面中的應力，以便更好地引導裂開擴展。
如果裂開擴展作用發(fā)生并且斷裂能量G，至少部分地包括所儲 存的正力矩能量的釋放(例如，具有位于膜的底部的壓縮層的氫裂 開面)，則真空環(huán)境將有益于裂開過程。具體地，真空環(huán)境將允許 更有效釋放能量，這是因為將沒有任何合適壓力產生出針對向上膜 移動的恢復力。例如，如果熱剪切裂開模式被釆用，則使用真空還 將傾向于降低負KI應力強度，已知該應力強度潛在i也增加斷裂韌 性(有效斷裂能量G，)。值得注意的是，無需高真空條件，并且甚 至多個Torr (托)的部分真空就可以顯示出這種效果。
裂開過程的繼續(xù)將最終導致厚膜沿裂開區(qū)域完全離開半導體 襯底的剩余部分。在一個實施方式中，具有新暴露的表面區(qū)域的該 剩余部分處于重復裂開方法的條件下，其中重復裂開方法是通過再 次執(zhí)行裂開起始和擴展方法而進行的。
可以選擇較低表面能量的裂開面作為用于半導體襯底的表面 區(qū)域。因此，在實施方式中，在一個厚膜離開襯底之后，新表面平 面將基本上處于初始晶面中并處于良好的條件下，其具有用于附加 層轉移產生的相對小的表面粗糙度，且無需如蝕刻或拋光的復雜表 面處理。當然，可以具有其他改變、更改和替代。才艮據實施方式，這些 工藝可以用于形成光伏電池、集成電^各、光學器件、它們的任4可組 合，等等。
在裂開中M2/P2和M3/P3的考慮
返回圖2,等式(6)再次復制如下
在該等式(6)中，在i殳計工藝中也可以考慮3至6項，以實 現期望將膜從諸如板或襯底的工件裂開。
例如，可以在裂開期間以多種方式來施加力P2、 M2、 P3、和 M3。根據特定技術，可以將板固定在適當位置，同時在板中進行產 生才立伸和/或壓縮應力的過禾呈。
在特定實施方式中，通過夾住外反的端部而將才反固定在適當位 置。在這樣的實施方式中，夾具可以接合存在于板側部的凹口或凹 槽。這樣的凹口或凹槽可以是為此目的在板中被有意地加工的。
在其他實施方式中，通過從下方固定板，例如通過靜電或真空 卡盤，可以將才反固定在適當位置。在另外的其他實施方式中，可以 從底部和側部固定板。在這些實施方式中，板/襯底M和P項的有 效產生將需要夾持或固定方法，以使得產生或控制P2、 M2、 P3和 M3中的一個或多個。
可以釆用多種才支術中的任何一種以在^反中產生期望的拉伸和/ 或壓縮應力。例如，如圖14所示， 一種方法是^1尋才反1402夾持在適 當位置，同時將力(F)直4妄施力口于板的一個或多個邊桑彖。該方法
(6) G
'=適
4
禁
1C￥可以在板中直接產生力矩M2和M3 (以及相關的P2和P3)，其具有 足夠的大小以顯著地影響等式(6)。
另一方法是產生充分強度的局部溫度梯度，其在板中的各種深
度處的膨脹差異引起必需的應變。圖15中示出這樣的方法，其中， 通過施加激光束1504而在^皮夾的^反1502中產生局部熱梯度1500。
如圖15所示，熱梯度1500距離發(fā)生裂開的前部的點C足夠遠， 使得來自激光(激光器，laser)的溫度本身并不影響裂開能量。更 具體地，來自熱梯度的能量沒有適當地影響等式(19)的項P的大 小。相反，能量通過應力和力矩一直耦合至裂紋，所述應力和力矩 是由位于距離裂紋尖端一定距離處的激光引起的加熱體積所產生 的。
然而，由于施加的激光，所以處于4反的不同深度處的材#牛經歷 了不同量的熱擴散。熱膨脹相對于深度的這種差異進而可以引起壓 縮應力，該壓縮應力的大小足以產生影響等式(6)的力矩JVb。
雖然圖15的實施方式示出了通過向板的頂部表面施加激光而 產生熱梯度，^f旦這不是必需的。才艮據其他實施方式，可以通過施加 其他形式的能量(諸如電子束)而產生期望強度的熱梯度。而且， 能量可以施加于板的其他表面，包括側面或底面。而且，施加于板 的能量無需被限制成具有局部效果的單一源。根據其他實施方式， 板的溫度的整體增加(諸如頂部表面或底部表面的脈沖加熱)可以 部分地或全部地有助于裂開前部的起始和/或擴展。
用于產生力矩M2/M3以實現裂開的另外的其他方式是通過施 加聲能。圖16和圖17中示出了這樣的方式的一些實施方式。圖16示出了一種實施方式的簡化示意圖，其中，轉換器1600 通過介質1604與^反1602隔開。來自轉換器1600的聲能1606經由 介質1604而施加于被夾住的板1602，所述介質可以是空氣，但可 替換地可以包括液體或其他氣體以增加聲能至板的耦合。
沖擊板的聲能通過板引起振動。在所施加的聲能的特性(即， 頻率、波長)與板的諧波匹配的情況下，可以在板中快速地建立共 振能(resonant energy )。
圖16示出了這樣的振動。具體地，如該圖所示，沖擊板的聲 能通過板引起振動，包括部分分離的膜、位于部分分離的膜的下面 的部分、以及還未被裂開的板的部分。這樣的振動又形成正和負的 力矩(分別是Mp M2和M3)，它們可以具有足夠的大小以影響裂 開。而且，所建立的這種能量尤其容易出現在通常是裂開的靶的固 體結晶材料中，這是因為這些固體結晶材料通常呈現大的共振品質 (Q ) ( quality )。
4反中的諧波的4企測是簡單的。如圖16所示，可以將麥克風 (microphone ) 1610布置成與板1602接觸或處于板1602附近。來 自麥克風的輸入可以^C輸入至包括處理器1616的主才幾1614，該處 理器1616與計算機可讀存儲介質1618通信。
控制器1612掃描由轉換器(transducer)發(fā)射的聲能的頻率。
通過利用麥克風發(fā)射具有特別高強度的聲音來顯示所施加的聲能 頻率與才反的i皆波匹配。可以通過在顯示器1622上顯示的峰^f直1620
中的一個來指示這樣的特別高強度的聲音，該顯示器1622與主機 1614電通信。雖然圖16示出了其中轉換器通過介質聲音地耦合至板的實施 方式，但是這不是必需的。在可替換的實施方式中，為了引起裂開， 轉換器可以與4反直4妄物理*接觸。
而且，雖然圖16示出了其中聲能被全面地施加于板的實施方 式，但是這也不是必需的。例如，如圖17的可替換實施方式中所 示，轉換器1700可以小于板1702，并且被定位成僅向板的一部分 直接施加聲能。在一些實施方式中，轉換器可以被構造成移動經過 板的表面，以在推進裂開前部處或前方提供聲能。
力矩和力M2/M3和P2/P3的產生可以被選擇為靜態(tài)形式(方式，
fashion)(夾持或彎曲)，或振動形式(諸如，利用聲轉換器或超聲 波轉換器)，在其方式中，局部裂紋尖端應力強度KI和KII被調節(jié) 成降低、4氐消、或控制KII。因此，這些外力和力矩不僅可以將能 量添加至裂紋尖端，而且如果被適當選擇的話，還可以有助于將擴 展控制在期望的裂開面中。例如，以+M2和-M3彎曲板、或以脈沖 形式加熱板底部將產生有助于取消KII的+KII分量。
雖然上述描述集中在熱沖擊的施加，其利用了將熱能局部施加 于表面，接著局部冷卻該表面，但是這不是必需的。在特定實施方 式中，通過全面施加熱能或冷卻中的一種或兩種，可以實現期望的 條件。并且，在特定實施方式中，熱能和/或冷卻可以施加于除了表 面之外的位置，例如，晶片的背面或晶片的側面。而且，在特定實 施方式中，無論是否主動施加負熱能還是熱通過襯底材料被動耗散 和/或進入周圍環(huán)境中，可以采用l又冷卻來獲得期望的結果。
雖然以上是對具體實施方式
的全面描述，但是可以使用各種更 改，替換序列和裝置。例如，雖然以上結合限制板而描述了使用真 空力來剝離裂開面，但這不是必需的，并且可以使用靜電力。根據可替換的實施方式，在沒有限制才反的情況下可以釆用真空力或靜電 力，以當裂開前部前移時吸引裂開膜使其離開剩余襯底。
圖18示出了簡化流程圖，其示出了#4居本發(fā)明實施方式的采 用聲能來實現裂開的過程(process ) 1800的步驟。在第一步驟1802 中，將才反固定至支撐件，諸如卡盤或側夾具(side clamping )。在第 二步驟1804中，將被固定的板設置成與轉換器聲通信。在第三步 驟1806中，將麥克風i殳置成與4反通信。在第四步駛《1808中，在一 范圍內掃描由轉換器發(fā)射的聲能的頻率。在第五步驟1810中，麥 克風用來在^C掃描的頻率范圍上檢測襯底的聲音發(fā)射分布。在第六 步驟1812中，聲音發(fā)射分布中的峰與固定的板的諧波相關聯。在 第七步驟1814中，轉換器被構造成發(fā)射聲能，該聲能具有的頻率 已知是與被固定的襯底的一個或多個諧波相關聯的，以便促進膜從 襯底的裂開。
雖然以上已經描述了使用被選擇的步驟序列，但是可以使用所 描述步驟中任何要素的任何組合以及其他的序列。另外，根據實施 方式可以組合和/或消除特定的步驟。
根據可替換的實施方式，被注入以形成裂開區(qū)域的離子粒子的 類型可以從氫離子變化成氦離子、氘離子、或特定組合，以使得形 成裂開區(qū)域。
更進一步地，裂開過程可以包括溫度控制/幫助的裂開，其利用 了真空夾持或靜電夾持過程(chucking process )。當然可以存在其 他改變、更改、和替^方案。 因此，還可以理解的是，這里所描述的實例和實施方式僅是用 于示例的目的，并且本領域技術人員根據本發(fā)明將會想到各種更改或變化，并且這些更改和變化被包括在本申請的精神和范圍以及所 附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于裂開材料膜的方法，所述方法包括提供襯底，所述襯底具有表面和下面的裂開區(qū)域；沿垂直于所述表面的方向施加具有預定能量的熱源，以在所述裂開區(qū)域與所述表面之間形成加熱材料體積，所述加熱體積呈現出基本均勻的溫度分布，接著在所述裂開區(qū)域處溫度急劇下降；以及在所述裂開區(qū)域處使所述膜從所述襯底裂開。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，在絕熱過程中，施加所述 熱源來加熱所述材并+體積。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述預定能量是可調節(jié)的， 以確定所述材料體積的尺寸和所述溫度急劇下降的深度。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述溫度急劇下降是 10°C/|am或更大。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱源包括在真空環(huán)境 中施加的多個電子，所述真空環(huán)境具有在約10-4至10^Torr之 間的壓力。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中，所述真空有助于所述裂開。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述裂開包括利用選自熱 源、冷源、電源、機械源、或化學源的能量源引發(fā)所述裂開。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述裂開進一步包括利用 選自熱源、冷源、電源、機械源、或化學源的能量源擴展所述 裂開。
9. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括將選自氫離子類或其 同位素的粒子注入到所述襯底表面中，以沉積在所述裂開區(qū)域中。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述粒子僅被注入到所述 裂開區(qū)域的一部分中。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述粒子的劑量在所述裂 開區(qū)域的一部分中較高。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中，作為電子束施加所述熱源。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中，以脈沖方式施加所述熱源。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中，以掃描方式施加所述熱源。
15. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述溫度急劇下降在所述 裂開區(qū)域處導致受控剪切。
16. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱源是光子源。
17. 才艮據4又利要求16所述的方法，其中，所述光子源包括激光。
18. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述光子源包括閃光燈。
19. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述光子源是脈沖源。
20. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱源被局部施加。
21. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱源4皮全面施加。
22. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述裂開的至少一部分在 真空環(huán)境下進行。
23. —種從襯底裂開膜的方法，所述方法包括提供襯底，所述襯底具有限定在表面與一深度之間的頂 部區(qū)域；在長時間,殳內將正熱能施加至所述表面，以在所述深度 處形成均勻的熱環(huán)境；以及在短時間^殳內將負熱能施加至所述表面，以在所述深度 處形成溫度梯度并且在所述頂部區(qū)域中形成拉伸應力，從而在 所述頂部區(qū)域與下面襯底之間的應力對比<吏得所述頂部區(qū)域 乂人所述4十底裂開。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中所述襯底在所述深度處設置有裂開區(qū)域；并且局部i也施加所述正熱能和負熱能，以引起靠近所述裂開 區(qū)i或的所述頂部區(qū)i或的進一步裂開。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中，所述裂開區(qū)域包括注入 至所述襯底中的所述深度的離子。
26. 根據權利要求25所述的方法，進一步包括為所述襯底提供與 所述裂開區(qū)域鄰接的裂開面，所述裂開面通過以小于所述裂開 區(qū)域的劑量的劑量將離子注入到所述表面中而形成。
27. 根據權利要求24所述的方法，進一步包括在施加壓力之前將 力矩添加至所述裂開區(qū)^t
28. 4艮據斗又利要求27所述的方法，其中，添加所述力矩包括在所 述裂開區(qū)域下方施加壓力，所述方法進一步包括將板定位在所 述表面上方以《更在進一步裂開過程中限制所述頂部部分的移 動。
29. 根據權利要求28所述的方法，其中，通過氣體噴射施加所述 壓力。
30. 才艮據權利要求25所述的方法，進一步包括局部;也再次施加所述正熱能和負熱能，以4吏所述頂部區(qū) 域的附加部分/人所述襯底裂開。
31. 才艮據權利要求28所述的方法，進一步包括通過所述^反施加真空或靜電壓力以爿奪所述頂部部分吸引 到所述板上。
32. 才艮據4又利要求31所述的方法，進一步包括在局部再次施加所述正熱能和負熱能的周期過禾呈中，乂人 所述限制板施加正壓力，以使所述限制板相對于所述頂部部分 平移，以置于所述頂部區(qū)域的所述附加部分上。
33. 根據權利要求23所述的方法，其中，控制所述熱能的大小或 較短時間段的持續(xù)時間以將所述應力對比定位在所述深度處。
34. 根據權利要求23所述的方法，其中，所述溫度梯度是10°C/|Lim 或更大。
35. 才艮據^L利要求23所述的方法，其中，所述裂開的至少一部分 在真空環(huán)境中進行。
36.—種,人^f底裂開力莫的方法，所述方法包4舌提供襯底，所述襯底具有限定在表面與一深度之間的頂 部區(qū)域；施加負熱能以在所述深度處形成溫度梯度并且在所述頂 部區(qū)域中形成拉伸應力，使得在所述頂部區(qū)域與下面的襯底之 間的應力對比導致所述頂部區(qū)域乂人所述4于底裂開。
37. 根據權利要求36所述的方法，
38. 根據權利要求36所述的方法， 了所述表面之外的位置。
39. 根據權利要求36所述的方法，
40. 根據權利要求36所述的方法，
41. 根據權利要求36所述的方法, 在真空環(huán)境中進行。其中，所述負熱能凈皮施加至所其中，所述負熱能^皮施加至除其中，所述負熱能被局部施力口。 其中，所述負熱能#皮全面施力口。 其中，所述裂開的至少一部分
42.—種AU于底裂開力莫的方法，所述方法包4舌提供襯底，所述襯底具有限定在表面與一深度之間的頂 部區(qū)域；將正熱能施加至所述襯底，以在所述深度處形成均勻的 熱環(huán)境；在所述深度處形成溫度梯度并且在所述頂部區(qū)域中形成 拉伸應力，使得在所述頂部區(qū)域與下面的襯底之間的應力對比 導致所述頂部區(qū)域/人所述襯底裂開。
43. 才艮據4又利要求42所述的方法，其中，所述溫度梯度和所述4立 伸應力由熱井C散產生。
44. 根據權利要求42所述的方法，其中，所述溫度梯度和所述拉 伸引力由將熱施加至與所述表面相對的所述襯底的下側產生。
45. 根據權利要求42所述的方法，其中，所述裂開的至少一部分 在真空環(huán)境中進行。
46. —種從^)"底裂開膜的方法，所述方法包4舌提供襯底，所述襯底具有限定在表面與位于一深度處的 裂開區(qū)域之間的頂部區(qū)域；在所述裂開區(qū)域處施加壓力，以導致所述頂部區(qū)域從剩 余襯底裂開；以及在所述裂開過程中利用定位在所述襯底上方的板來限制 所述頂部區(qū)i^的移動。
47. 根據權利要求46所述的方法，其中，所述裂開區(qū)域包括被注 入至所述襯底中的所述深度的離子。
48. 才艮據權利要求47所述的方法，進一步包括為所述4十底提供與 所述裂開區(qū)域鄰"l妻的裂開面，所述裂開面通過以小于所述裂開 區(qū)域的劑量的劑量將離子注入到所述表面中而形成。
49. 4艮據權利要求46所述的方法，其中，通過氣體噴射施加所述 壓力。
50. 才艮據權利要求46所述的方法，其中，通過插入刀片施加所述 壓力。
51. 根據權利要求46所述的方法，進一步包括通過所述板施加真 空壓力或靜電力以將所述頂部部分吸引到所述板上。
52. 根據權利要求51所述的方法，進一步包括通過所述板施加正 壓力，以^使所述^反相只于于所述頂部部分平移，以置于所迷頂部 區(qū)域的附加部分上
53. —種裝置，包括塔盤，；故構造成支撐襯底的后側；以及限制^反，可在所述襯底的前側上移動，所述限制纟反纟皮構 造成將靜電力或真空壓力施加至所述襯底。
54. 根據權利要求53所述的裝置，其中，所述限制板對于真空壓 力是多孔的。
55. 根據權利要求53所述的裝置，其中，所述限制板包括與入口 連通的通孑L。
56. 根據權利要求53所述的裝置，其中，所述限制板沿平行于所 述襯底的所述前側的方向是可移動的。
57. 根據權利要求53所述的裝置，其中，所述限制板沿垂直于所 述襯底的前側的方向是可移動的。
58. 根據權利要求53所述的裝置，其中，所述限制板與正壓力源 流體連通。
59. 根據權利要求58所述的裝置，其中，所述限制板通過第二入 口與正壓力源;危體連通。
60. —種用于從襯底的表面裂開材料膜的方法，所述方法包括將襯底固定在適當的位置；4吏膜變成沿下面的裂開區(qū)域/人所述襯底的表面部分地分離；在所述襯底中產生力矩、力、或者力矩和力，以引起沿 所述裂開區(qū)域裂開的擴展，從而使所述膜從所述襯底進一步分 離。
61. 根據權利要求60所述的方法，其中，通過夾持所述襯底的邊 緣而將所述邱于底固定在適當的位置。
62. 根據權利要求61所述的方法，其中，通過將力施加至所述襯 底邊緣而產生所述力矩、所述力、或者所述力矩和所述力。
63. 根據權利要求60所述的方法，其中，通過夾持所述襯底的底 部而將所述村底固定在適當的位置。
64. 根據權利要求60所述的方法，其中，通過將熱能施加至所述 襯底的表面而產生所述力矩、所述力、或者所述力矩和所述力。
65. 根據權利要求64所述的方法，其中，所述力矩、所述力、或 者所述力矩和所述力由響應暴露于所述熱能在所述襯底中的 不同深度處的材料熱膨脹差異而產生。
66. #4居權利要求64所述的方法，其中，作為激光或電子束而施 加所述熱能。
67. 根據權利要求64所述的方法，其中，在所述裂開的擴展的點 之前局部施加所述熱能。
68. 才艮據^又利要求60所述的方法，其中，所述力矩、所述力、或 者所述力矩和所述力通過將聲能施加至所述襯底而產生。
69. 根據權利要求68所述的方法，其中，將所述聲能全面地施加 至所述襯底。
70. 根據權利要求68所述的方法，其中，在靠近所述裂開的擴展 的點處所述聲能局部地施加至所述襯底。
71. 沖艮據權利要求68所述的方法，進一步包括對于所述襯底在頻率范圍上掃描聲能；檢測在由掃描引起的所述襯底中的諧波；以及確定引起所述"i皆波的所述聲能的頻率，其中，將所述頻率的聲能施加至所述4于底以擴展所述裂開。
72. —種裝置，包括被構造成將襯底固定在適當位置的構件；聲音轉換器，其被構造成將聲能施加至所述襯底；傳感器，其#1構造成檢測所述襯底中的諧波；主機，其包括與所述聲音轉換器、所述傳感器、以及計算 才幾可讀存儲介質通信的處理器；所述計算一幾可讀存儲介質具有 存儲于其上的指令以指揮所述處理器，從而使得所述轉換器對于所述襯底在頻率范圍上掃描聲能；以及使得所述轉換器施加被確定為引起諧波的頻率的聲能。
73. 根據權利要求72所述的裝置, 面地將聲能施加至所述襯底。
74, 根據權利要求72所述的裝置， 部地將聲能施加至所述邱十底。權利要求書第10/10頁其中，所述轉換器被構造成全 其中，所述轉換器被構造成局
75. 根據權利要求74所述的裝置，其中，所述轉換器被構造成使 得所述聲能與裂開擴展一起沿所述襯底中的裂開區(qū)域移動。
全文摘要
通過提供半導體襯底可形成材料膜，該半導體襯底具有表面區(qū)域以及位于表面區(qū)域下方預定深度處的裂開區(qū)域。在將膜從襯底裂開的過程中，小心地控制裂開區(qū)域中的剪切。根據特定實施方式，面內剪切分量(KII)被保持接近零，并夾在拉伸區(qū)域與壓縮區(qū)域之間。在一個實施方式中，利用定位在襯底表面上方的板可以完成裂開。該板用來在裂開期間限制膜的移動，并且與局部熱處理一起來降低在裂開工藝過程中產生出的剪切。根據另一實施方式，KII分量有目的地保持在高水平上并用來通過裂開序列來引導和驅動斷裂擴展。在一個實施方式中，通過利用暴露于E束輻射的硅絕熱加熱來實現高的KII分量，這在硅中的精確限定的深度處賦予了非常陡峭的熱梯度以及所得的應力。
文檔編號H01L21/70GK101577296SQ200910138229
公開日2009年11月11日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權日2008年5月7日
發(fā)明者弗蘭喬斯·J·亨利 申請人:硅源公司