專利名稱：利用受控傳播的膜層轉(zhuǎn)移的制作方法
利用受控傳播的膜層轉(zhuǎn)移
背景技術(shù)：
有史以來，人類都是依賴于“太陽”來得到幾乎所有有用形式的能量。這樣的能量 來自石油、輻射體、木材以及各種形式的熱能。僅舉一個(gè)例子，人類嚴(yán)重依賴于諸如煤和天 然氣這樣的石油資源來滿足各種需要。遺憾地是，石油資源已逐漸變得耗盡并且產(chǎn)生了一 些其它問題。作為代替品，部分地，太陽能已經(jīng)被提出用于減少對石油資源的依賴。僅舉一 個(gè)例子，太陽能可從通常由硅制成的“太陽能電池”得到。當(dāng)硅太陽能電池暴露于來自太陽的太陽輻射時(shí)產(chǎn)生電力。輻射與硅原子相互作用 并形成電子和空穴，它們遷移至硅本體中的P摻雜區(qū)和η摻雜區(qū)，并在摻雜區(qū)之間產(chǎn)生電壓 差和電流。太陽能電池已經(jīng)集成有匯集元件來提高效率。舉例來說，太陽輻射利用可引導(dǎo) 此輻射到有源光伏材料的一個(gè)或更多個(gè)部分的匯集元件來積累和聚集。盡管有效，但是這 些太陽能電池仍然有許多限制。僅舉個(gè)例子，太陽能電池常常依賴于諸如硅的初始材料。這樣的硅一般由多晶 硅和/或單晶硅材料制成。根據(jù)單個(gè)晶粒的尺寸和結(jié)晶度，多晶硅材料也可稱為多晶 (multicrystalline)、微晶(microcrystalline)或者納米晶(nanocrystalline)。這些材 料此后將都被稱為“多晶硅”，與不具有許多個(gè)隨機(jī)晶向和許多個(gè)晶界的單晶(單晶體)材 料相反。無定形硅不是通常用于晶片化的太陽能電池的硅形式，這是因?yàn)樗脑谛∮趲孜?米的厚度上的低的載流子壽命。太陽能電池材料通常難以制造。多晶硅電池常常通過制造多晶硅板形成。盡管這 些板可以用成本有效的方式使用結(jié)晶爐形成，但是它們不具有優(yōu)化用于高效太陽能電池的 特性。尤其是，多晶硅板在捕獲太陽能和將捕獲的太陽能轉(zhuǎn)換成可用的電能方面未表現(xiàn)出 最高的可能效率。比較而言，單晶硅(C-Si)具有對于高等級(jí)太陽能電池合適的特性。然而，這樣的 單晶硅制造昂貴，并且也很難以高效率和成本有效的方式用于太陽能應(yīng)用。此外，多晶硅和單晶硅材料在傳統(tǒng)的制造單晶硅襯底過程中都會(huì)遇到材料損失， 在該過程中使用鋸切工藝來從原始生長的單晶硅錠物理分離薄單晶硅層。例如，內(nèi)徑(ID) 鋸切工藝或線鋸切工藝從澆鑄(cast)或生長的晶錠(boule)上消除了 40%之多甚至達(dá)到 60%的初始材料，并將材料單顆化(singulate)為晶片形式工件(factor)。這是高度無效 率的制備供太陽能電池應(yīng)用的薄的多晶硅或單晶硅板的方法。為了克服使用硅材料的這些缺點(diǎn)，已經(jīng)提出了薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池 通常由于使用較少的硅材料或者替代材料而不那么昂貴，但是它們的無定形或多晶結(jié)構(gòu)沒 有更昂貴的由單晶硅襯底制造的體硅電池有效。從上述可以看出，非常需要以低成本高產(chǎn)率制造合適的高質(zhì)量單晶硅片的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
可以通過提供具有表面區(qū)和位于表面區(qū)之下預(yù)定深度處的解理區(qū)(cleave region)的半導(dǎo)體襯底來形成材料膜。在從該襯底解理該膜的工藝過程中，解理區(qū)的剪切被嚴(yán)密地控制。根據(jù)某些實(shí)施例，面內(nèi)剪切分量(in-plane shearcomponent) (KII)在一定的 膜厚度處被保持在零附近，以使傳播的解理面保持在期望的深度內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，接近 零的KII分量是通過經(jīng)由暴露于電子束輻射來隔熱加熱硅而實(shí)現(xiàn)的，這能夠給予熱學(xué)地產(chǎn) 生的力和力矩來實(shí)現(xiàn)期望的KII條件。根據(jù)其他實(shí)施例，利用能量控制方法通過注入和可 選的外部能量來引導(dǎo)斷裂(fracture)傳播而有目的地將KII分量保持在高水平。在一個(gè) 這樣的實(shí)施例中，通過暴露于諸如激光或電子束的輻射來加熱硅而實(shí)現(xiàn)高KII分量，其通 過依賴于深度的解理能量控制給予熱梯度以在硅中在精確定義的深度處實(shí)現(xiàn)受控傳播。本發(fā)明實(shí)施例一般涉及用于形成厚膜的層轉(zhuǎn)移技術(shù)。更具體地，本發(fā)明提供了用 于太陽能電池的低注入或甚至無注入的厚膜的層轉(zhuǎn)移的方法及器件。僅舉例來說，其被應(yīng) 用來沿著單晶硅襯底的晶面解理厚膜。但是將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明具有更廣闊的應(yīng)用范圍。通過實(shí)現(xiàn)本發(fā)明可獲得許多益處。在優(yōu)選實(shí)施例中，可選擇具有在{111}或{110} 晶面中表面平面的單晶硅錠襯底。如此，用于生成解理區(qū)的離子注入工藝大多數(shù)被消除或 被限制，以利用部分周邊區(qū)域形成解理發(fā)起區(qū)。這基本上簡化了層轉(zhuǎn)移工藝，減少了系統(tǒng)能 量成本并增加了產(chǎn)率。
在某些實(shí)施例中，該工藝被劃分為(i)使用較高注入劑量(發(fā)起劑量)在硅錠襯 底的相對小的區(qū)域(發(fā)起區(qū))中發(fā)起斷裂的發(fā)起過程，和(ii)使所發(fā)起的裂縫尖端(crack tip)延伸貫穿剩余的硅錠襯底以釋放厚膜(傳播區(qū))的傳播過程。由于傳播過程必須使 發(fā)起區(qū)延伸貫穿要被釋放的厚膜的大部分表面區(qū)，因此，該過程應(yīng)該用小的注入劑量可靠 地操作，并且或許不用任何劑量。這被稱為傳播劑量，并且因此該過程需要的總劑量將是發(fā) 起和傳播劑量的加權(quán)面積平均值。例如，如果發(fā)起區(qū)是總面積的并且使用6X1016cm_2 的氫，而傳播區(qū)使用1 X IO16CnT2的氫，那么總有效劑量是0. 01 * 6 X 1016cnT2+0. 99 * lX1016cm_2或1.05X1016Cm_2。減少或消除傳播劑量對于該解理過程的總劑量需求將具有 第一位的影響。降低劑量反過來又依賴于(i)優(yōu)化注入的氫的效果以使其解理引導(dǎo)作用 (action)最大化，和(ii)通過在裂縫尖端處產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)膽?yīng)力強(qiáng)度條件來優(yōu)化解理過程，以 使解理前端(cleave front)保持在期望深度內(nèi)而不使膜破裂或裂縫。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施 例針對優(yōu)化解理傳播過程中的力學(xué)結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過輻射利用線性加速器產(chǎn)生的具有受控劑量的高能離子粒 子以圖案化的注入生成解理發(fā)起區(qū)。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明利用力加載(force loading) (經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚭?或機(jī)械力產(chǎn)生的)提供機(jī)械力矩加載(moment loading)，以產(chǎn) 生應(yīng)力梯度，使得能夠形成基本零剪切區(qū)而不論力學(xué)結(jié)構(gòu)的自然趨勢，從而產(chǎn)生混合模式 加載。其他實(shí)施例使用純熱加載(僅加熱或結(jié)合差別冷卻)，以產(chǎn)生期望的將控制傳播 的條件。利用本發(fā)明的實(shí)施例，可制造具有范圍從幾十微米到幾百微米厚度的高質(zhì)量厚膜 晶體材料，切口損失(kerf loss)基本上比可能使用的傳統(tǒng)技術(shù)的低。所得到的單晶硅厚 膜尤其適合用于高效率(20%或更高)的光伏電池。一些實(shí)施例可使用現(xiàn)有的制造工藝系 統(tǒng)和技術(shù)，并且可以利用某些用于制造供各種半導(dǎo)體器件應(yīng)用的薄的晶片/襯底的新開發(fā) 的技術(shù)。在下面說明中可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于本發(fā)明多種實(shí)施例的更多細(xì)節(jié)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通過圖案化注入高能粒子形成解理發(fā)起區(qū)的簡 圖。圖2示出一般的傳播情況的簡化示意圖。圖3和圖3A示出氫層應(yīng)力分布模型。 圖4示出可用的熱加載結(jié)構(gòu)的簡化矩陣，其中P、M僅出現(xiàn)在特定加載條件下。圖5示出可用作熱加載應(yīng)用的時(shí)間尺度(time scale)的函數(shù)的解理范疇 (cleaving regimes)的圖。圖6A示出用于使解理面區(qū)域內(nèi)絕對溫度升高的熱浸(heat soak)的概念。圖6B示出用于產(chǎn)生膜-襯底溫度差的熱脈沖的概念。圖7示出最大電子深度對能量(CSDA范圍，S卩，硅的電子范圍)的曲線。圖8示出硅中電子束體積式能量沉積分布的蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真，例如 硅中的電子束體積式加熱分布的蒙特卡洛仿真。圖9示出仿真的實(shí)現(xiàn)KII受控傳播解理的電子束分布。圖10示出使用隔熱電子束KII受控停播的應(yīng)力強(qiáng)度和能量結(jié)果。 圖11示出了利用電子束的能量-應(yīng)力沉積分布。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施例提供了用于太陽能電池的厚膜的層轉(zhuǎn)移的方法和器件。僅作 為示例，它被應(yīng)用來沿單晶硅襯底的晶面解理厚膜。但將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明有更廣泛的應(yīng)用 性。例如，可以使其它的材料，諸如鍺、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、或碳化硅(SiC)，經(jīng)受 解理工藝，以釋放用于太陽能、光電或半導(dǎo)體應(yīng)用的材料膜。如背景技術(shù)部分中所論述的，基于硅生長的太陽能電池依賴于降低晶片化 (wafering)切損成本的瓶頸。傳統(tǒng)鋸切或采用近來報(bào)道的呈現(xiàn)適用于太陽能電池的厚膜的 晶片化技術(shù)(如多線鋸切、火花切割、激光切割或等離子切割)可能由于一個(gè)或更多個(gè)下述 問題而呈現(xiàn)出有限的有用性高切損、慢的切割速度以及缺乏可制造性。一種解決方案是使用高能離子束在襯底表面之下期望深度處生成解理區(qū)，然后進(jìn) 行從剩余襯底釋放膜厚的層轉(zhuǎn)移工藝。然而，僅使用注入的離子燁生成容易解理的解理區(qū) 可能需要高的離子劑量和擴(kuò)展的注入面積。而且，這樣依靠注入的離子會(huì)導(dǎo)致較高的表面 粗糙度、由于高的離子劑量和低產(chǎn)率的增加的成本、以及潛在的較低成品率和膜質(zhì)量。根據(jù) 實(shí)施例，可以利用本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)來克服這些及其他的限制。根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例，可以利用在解理過程中嚴(yán)密控制剪切條件的解理工藝完 成材料膜的解理而基本上減少了離子注入或者可能根本不需注入。在一個(gè)實(shí)施例中，可通 過提供具有表面區(qū)、周邊區(qū)和在該表面區(qū)之下預(yù)定深度處的解理區(qū)的半導(dǎo)體襯底來形成材 料膜。出于本專利申請的目的，術(shù)語“解理區(qū)”并不必然表示已接受輻射或注入的離子的區(qū) 域，而是表示可以在應(yīng)用輻射和/或注入的離子之后與襯底分離的區(qū)域。解理發(fā)起區(qū)可定義在周邊區(qū)的一部分內(nèi)以及解理區(qū)附近。解理發(fā)起區(qū)可通過使該 區(qū)域經(jīng)受熱、化學(xué)、電和/或機(jī)械加工以使在發(fā)起區(qū)內(nèi)該膜的一部分剝落(spall)或釋放而 形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)起解理是通過使解理發(fā)起區(qū)經(jīng)受局部化的熱處理而完成的， 使得解理前端可以在該區(qū)內(nèi)發(fā)起并傳播到劑量較低的發(fā)起區(qū)周邊，且不會(huì)促進(jìn)進(jìn)一步傳 播。替代地，傳播區(qū)域由局部化的能量本身控制。然后一般的膜釋放工藝可以繼續(xù)使發(fā)起 膜從現(xiàn)有的解理前端傳播穿過剩余的襯底。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底側(cè)視圖的簡圖，該半導(dǎo)體襯底具有在 表面區(qū)之下預(yù)定深度處的解理區(qū)。本圖僅是舉例，其在此不應(yīng)不當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代以及修改。 如圖1所示，提供具有表面區(qū)1702和周邊區(qū)1704的半導(dǎo)體襯底1700。此外，提 供解理區(qū)1706。該解理區(qū)本質(zhì)上是位于表面區(qū)1702之下預(yù)定深度d處的虛擬的平面或者 層，并用于限定要從半導(dǎo)體襯底1700分離的厚膜1720的厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體 襯底具有基本上大于深度h的厚度。在一個(gè)具體實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底是用在光伏太陽能 電池中的單晶硅材料。在一特定實(shí)施例中，硅襯底具有表面平面，該表面平面通常被選擇 為接近于{111}或{110}晶面(可能存在一定的低于大約1°的小誤切角度)。在一特定 實(shí)施例中，所限定的解理區(qū)與表面區(qū)基本上平行。由于解理行為在能量上沿著{111}面然 后是{110}面比在傳統(tǒng)的{100}面中更容易，因此可能期望將要解理的材料定向以使要解 理的表面與較低表面能量結(jié)晶學(xué)解理面一致。對用于選擇硅晶錠的特定方向以用于切片 或解理的技術(shù)的更具體的描述可在共同受讓的、于2008年5月7日由Francois J. Henley 提交的、名稱為 “METHOD AND DEVICE FORSLICING A SHAPED SILICON INGOT USING LAYER TRANSFER”(代理人卷號(hào)No :018419-025600US)的、美國臨時(shí)專利申請No. 61/051344中找 至IJ，在此將其引入作為參考。圖1還示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例通過圖案注入高能粒子的解理發(fā)起區(qū)的形成。該 圖僅作為舉例，在此其不應(yīng)不當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許 多變化、替代以及修改。如圖1所示，部分周邊區(qū)1704與表面區(qū)1702內(nèi)的預(yù)定圖案區(qū)(在圖1的截面圖 中未直接示出)相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施例中，周邊區(qū)的所選擇的部分位于解理區(qū)1706的邊緣 附近區(qū)域內(nèi)。然后，利用高能粒子加速器，將表面區(qū)1702的圖案化區(qū)域暴露于高能離子束 1740，例如能量水平為IMeV或更高的H+離子。加速器的選擇范圍可以從線性加速器(靜 電或RF驅(qū)動(dòng)型)或其它非線性型如回旋加速器。由于圖案化的注入是期望的，因此優(yōu)選具 有有限的束尺寸的粒子束的掃描。取決于熱、機(jī)械、成本以及其他考慮，該掃描可以是電磁 的、靜電的或機(jī)械的。在一個(gè)實(shí)施例中，圖案化的發(fā)起區(qū)的面積被限制在總襯底表面面積的 1-3% (例如，對于125mmX 125mm大小的襯底為2-5cm2或更小)，從而很好地控制了離子粒 子劑量，最小化了系統(tǒng)能量成本并增強(qiáng)了厚膜解理工藝的產(chǎn)率。將高能離子注入到表面區(qū)之下，以到達(dá)解理區(qū)1706的附近區(qū)域內(nèi)的區(qū)域。離子的 穿透深度取決于能量水平，并且可以被控制于決定解理區(qū)深度h的期望值。通過以離子化 的形式轉(zhuǎn)移動(dòng)能到晶格(電子制動(dòng)(electronicbraking))，以及由于移動(dòng)原子導(dǎo)致少量的 原子損傷(核阻止)，晶格內(nèi)注入的離子慢下來。在最后階段(大約全程的2-5%內(nèi))，離子基本上更多地與晶格在核阻止下相互 作用，并形成具有相對高的應(yīng)力和損壞的晶格鍵的薄的區(qū)域來限定解理發(fā)起區(qū)1708。如所示，形成的解理發(fā)起區(qū)1708是從周邊區(qū)1704的一部分向解理區(qū)1706內(nèi)延伸的小的平面區(qū) 域。由于該圖案化的注入是通過在比表面區(qū)總面積的1-3%小的面積內(nèi)輻射離子粒子來進(jìn) 行的，因此發(fā)起劑量可以比傳播劑量高。這允許平均面積劑量被保持為低以用于增加產(chǎn) 率。當(dāng)然，可以有許多的替代、變化和修改。受控傳播方法 本發(fā)明的某些實(shí)施例尋求修改解理結(jié)構(gòu)以減少、消除或控制在傳播的解理破裂的 尖端處的剪切模式II應(yīng)力強(qiáng)度因子(KII)。當(dāng)解理行為沿著表面1702下期望的深度可靠 地進(jìn)行時(shí)，該工藝一般將被稱為受控傳播。可以利用兩種受控傳播形式來在材料1700內(nèi)可靠地傳播解理，以從襯底釋放厚 度為h的膜，并避免解理失敗。第一種受控傳播形式被稱作“KII受控傳播”，而第二種受控 傳播形式被稱作“能量受控傳播”。兩種形式都可以將解理面的傳播控制在期望深度處以釋 放厚度為h的膜。然而，這些受控傳播形式使用不同的方法和途徑完成這一目標(biāo)。設(shè)計(jì)解理途徑的關(guān)鍵考慮是避免其中膜裂縫或破裂這樣不希望的解理失敗。解理 失敗實(shí)質(zhì)上被限定為解理面的不希望的分支(branching)，通常導(dǎo)致斷裂的膜。因此，避免 解理面的不希望的分支是解理技術(shù)設(shè)計(jì)中的考慮。已發(fā)現(xiàn)的影響不希望的分支的其他因素 例如包括晶向以及注入劑量和深度及溫度分布。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其他的影響是重要的。例如，對于單晶硅，在解理面附近區(qū)域內(nèi)注入的并 且用于產(chǎn)生解理應(yīng)力的熱能將受這樣的事實(shí)的影響，所述事實(shí)即，注入的解理面具有基本 比未注入的單晶硅低的熱導(dǎo)率。該較低熱導(dǎo)率是氫注入損傷的結(jié)果，并且將趨于改變溫度 分布，繼而將改變解理應(yīng)力。KII受控傳播第一種受控傳播形式是KII受控傳播，并且其被限定為與處于零或接近零處的 KII同時(shí)地實(shí)現(xiàn)閾值解理傳播能G’(在下面定義)?；诰€性彈性斷裂力學(xué)(LEFM)的基本 原理，其中傳播解理前端改變方向以便實(shí)現(xiàn)和保持KII = 0，該條件將允許傳播解理面處在 期望的深度處。當(dāng)深度上的小的變化產(chǎn)生層級(jí)和符號(hào)(level and sign)的恢復(fù)性KII剪 切以便幫助使解理面轉(zhuǎn)向期望的深度時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)定的KII控制。盡管條件KII = 0經(jīng)常被考慮作為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的解理傳播的理想條件，但存在特定 的KII范圍，在該范圍內(nèi)解理將沿著結(jié)晶解理面。因此，在條件允許將KII維持在零附近有 限的范圍內(nèi)的情況下，解理行為可以期望地繼續(xù)沿著解理面。能量受控傳播第二種受控傳播形式是能量受控傳播，其特征為深度控制，其中傳播解理面所需 的閾值能量改變使得在期望深度之下，傳播受高的KII因子支持，但在能量上不能被支撐。 通過注入的氫層的解理是能量受控解理的一個(gè)例子。在通過氫解理面的純解理情況中，如果解理遠(yuǎn)離注入深度進(jìn)行，則傳播將停止，這 是由于解理面向表面偏離將降低可用于傳播的能量。結(jié)果，通過強(qiáng)的能量深度依賴來抵消 強(qiáng)的向表面?zhèn)鞑サ内厔?。受控傳播方程的推?dǎo)下面的討論針對可以支配根據(jù)發(fā)明實(shí)施例的解理的一般性的線性彈性斷裂力學(xué) (LEFM)方程。本分析假設(shè)大面積的片材(tile)，其中膜比硅片材(silicon tile)的剩余部分薄得多。圖2中示出了發(fā)起工藝之后的力學(xué)結(jié)構(gòu)。具體地，厚度為h的厚膜被部分地從具 有厚度H的硅錠襯底的其余部分上釋放。由于該襯底相對于被解理的材料大得多的尺寸， 因此，h << H，且將理解片材力矩和力M2、P2和M3、P3將是非常小的。因此，裂縫尖端處所 見到的應(yīng)力強(qiáng)度源由作為耦合至部分釋放的厚膜的力矩和力的M1和P1主導(dǎo)。本發(fā)明實(shí)施例的基本設(shè)想是氫解理面。氫解理面(H面)通過應(yīng)力和 層弱化效應(yīng) 影響解理行為。具體地，H面可用作處于高劑量的發(fā)起層以及在劑量較低時(shí)用作引導(dǎo)或傳 播層。H層行為在這兩個(gè)劑量范疇下是不同的?；谏涑棠┒?end-of-range，E0R)氫注入層的解理行為的一個(gè)效果是減小了解 理面周圍的斷裂強(qiáng)度。該斷裂強(qiáng)度的減小可以由鍵損傷和由氫的存在本身引起的應(yīng)力所導(dǎo) 致。這些考慮都可以降低在解理期間生成新表面所需的能量。在解理期間生成新表面所需的能量此后被稱作表面能(Y)。在未注入的單晶硅 中，對于{111}晶向，表面能約為1.2J/H12，不過硅中的斷裂剛度(toughness)有時(shí)被報(bào)告 為4-6J/m2并且包括諸如晶格俘獲等效應(yīng)以給出用以產(chǎn)生新表面的有效能量。對于下面的 對處于{111}晶向的硅的分析，將假設(shè)每表面的表面能為1. 2J/m2(總共2. 4J/m2)。相反，沿著注入的解理面的修改的表面能(Y’)的值可以基本上較低的，或許 低5或更大的倍數(shù)。根據(jù)下面的關(guān)系式，有效解理面的表面能值Y’與未注入的表面能 (Y)相關(guān)(1) Y ‘ = αΗ2*γ其中αΗ是在0和1之間的因子，其用于量化由于氫脆變 (embrittlement)所導(dǎo)致的解理能減小。該α H項(xiàng)考慮了要得出所有應(yīng)力和鍵損傷效果的 準(zhǔn)確表達(dá)所必要的所有效應(yīng)。α Η是被試驗(yàn)確定為解理能、劑量、注入熱學(xué)條件以及注入后 熱學(xué)條件的函數(shù)。由于解理能是線性彈性斷裂力學(xué)中的基礎(chǔ)參數(shù)，因此注入劑量和能量之間的關(guān)系 允許對解理行為的精確預(yù)測和建模。解理處理期間生成了兩個(gè)表面。因此，解理能釋放速率(G’)如下所示與表面能相 關(guān)(2)G' = 2*y ‘ = 2* α Η2* γ取決于脆變因子(αΗ)，在解理面內(nèi)G’可以從約2.4J/m2到基本更少變化。例如， 在涉及50um厚的單晶硅膜的試驗(yàn)中，由劑量為2-8X IO16CnT2的H注入形成的解理面中的裂 縫示出，對于H劑量比約4-6 X IO16CnT2高的情況，存在如通過雙懸臂梁力學(xué)結(jié)構(gòu)所測量的解 理能1)的可測量的降低。對于具有較低氫劑量(小于約4X IO16CnT2)的解理面，已經(jīng)試驗(yàn)地確定α Η2 1。 利用本質(zhì)上具有本征(intrinsic)解理能值的解理能，處在較低劑量的解理引導(dǎo)因此主要 由注入的氫壓應(yīng)力分布主導(dǎo)，其有助于通過能量控制原理使解理前端沿著解理面?zhèn)鞑ァＲ呀?jīng)開發(fā)了一系列閉式方程來研究解理行為。這些方程的發(fā)展假設(shè)由解理發(fā)起導(dǎo) 致的起始裂縫出現(xiàn)在襯底中的深度(h)處，由此限定解理的膜的厚度。在許多例子中，h = 50um，但在方程中可以為任何膜厚。該模型假設(shè)分離的膜長度(被命名為c或者有時(shí)命名 為L)為幾毫米到幾厘米。幾何圖形是二維的，意味著寬度w不隨解理沿著直線的發(fā)生而變 化。裂縫開啟力(crack opening force)模式(KI)和面內(nèi)剪切力模式(KII)是對于 對解理工藝過程建模是重要的參數(shù)。將期望如果使用解理結(jié)構(gòu)的已知斷裂能，則所得到的引起裂縫擴(kuò)展和傳播的條件與硅或者任何其它材料相配。例如，已知當(dāng)G’超過2* γ'時(shí) 在單晶硅中出現(xiàn)斷裂條件，對于未注入的層約為2. 4J/m2。斷裂傳播的閾值限定如下(權(quán)利要求
一種從襯底解理材料膜的方法，該方法包括提供具有面的襯底以及位于該正面之下一深度處的應(yīng)力層；在該應(yīng)力層的鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)起解理；施加外部能量來以受控的方式來利用該應(yīng)力層傳播解理，其中在該應(yīng)力層之上的傳播受KII因子的支持，但是在能量方面不能被支持，使得該應(yīng)力層用作對在該深度之下傳播的阻擋物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中解理是在該深度的約5%位置處發(fā)起的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中解理是在該深度的約10%位置處發(fā)起的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括通過注入粒子形成該應(yīng)力層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中該粒子包括氫或氦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括通過沉積形成該應(yīng)力層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部能量是以兩個(gè)步驟施加的熱能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中第一步驟包括用于升高該應(yīng)力層內(nèi)的絕對溫度的熱 浸，而第二步驟包括用于升高該應(yīng)力層之上的材料與該襯底之間的溫度差的熱脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中熱浸和熱脈沖步驟的施加時(shí)序根據(jù)該膜的熱時(shí)間常數(shù) 確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部能量是以單個(gè)步驟施加的熱能。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該外部熱能的施加時(shí)序根據(jù)該膜的聲學(xué)時(shí)間常數(shù)確定。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部能量是在比襯底厚度的一半更深的點(diǎn)處施加 的熱能，以產(chǎn)生使該膜從該襯底分離的負(fù)的力P和正的力矩M。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部能量是作為電子束、光子或電磁能施加的熱能。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部能量是作為作用于該膜上的力矩M和力P施加 的機(jī)械能。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該機(jī)械能是利用該膜的超聲激發(fā)施加的施加能量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該機(jī)械能是通過利用在該膜和該襯底之間插入的楔 形物或線的推動(dòng)而施加的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該機(jī)械能是通過利用從上面對該正面的真空吸取或 靜電吸引的牽拉而施加的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部能量是給予到裂縫尖端附近的該膜和襯底區(qū) 域上的熱能和機(jī)械能的組合。
19.一種從襯底解理材料膜的方法，該方法包括 提供具有正面的襯底；在襯底中的一深度處發(fā)起解理來釋放上面的膜；以及施加外部能量來以受控的方式傳播該解理，使得KII因子沿該深度保持為零或大約為零。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該外部能量被施加到該正面，以隔熱地加熱該膜并 產(chǎn)生導(dǎo)致該膜分離的正的力(P)和正的力矩(M)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該熱能是作為電子束、光子或電磁能施加的。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該熱能是作為對除該膜之外的部分襯底的熱沉施加 的熱能，以產(chǎn)生導(dǎo)致該膜分離的正的力(P)和正的力矩(M)。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括通過向該正面注入粒子在該深度處形成應(yīng)力層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中所述粒子包括氫或氦。
25.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中附加的外部能量是作為機(jī)械能施加的，所述機(jī)械能 被作為施加到該膜上的力矩M和力P。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該施加的機(jī)械能是利用該膜的超聲激發(fā)施加的。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該機(jī)械能是通過在該膜和該襯底之間插入楔形物或 線施加的。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中該機(jī)械能是通過利用真空吸取或靜電吸引從上面對 該膜的牽拉施加的。
29.一種從襯底解理材料膜的方法，該方法包括提供具有正面的襯底以及位于該正面之下一深度處的應(yīng)力層； 在該應(yīng)力層的鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)起解理；以兩個(gè)步驟施加外部能量來以受控的方式利用應(yīng)力層傳播該解理， 其中第一步驟包括用于升高該應(yīng)力層內(nèi)的絕對溫度的熱浸，第二步驟包括用于升高該 應(yīng)力層之上的材料與該襯底之間的溫度差的熱脈沖，以及其中該應(yīng)力層之上的傳播受KII因子的支持，但是在能量方面不能被支持，使得該應(yīng) 力層用作對在該深度之下的傳播的阻擋物。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中解理是在該深度的約5%位置處發(fā)起的。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中解理是在該深度的約10%位置處發(fā)起的。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，進(jìn)一步包括通過注入粒子形成該應(yīng)力層。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述粒子包括氫或氦。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中熱浸和熱脈沖步驟的施加時(shí)序根據(jù)該膜的熱時(shí)間常 數(shù)而確定。
全文摘要
可以通過提供具有表面區(qū)和位于表面區(qū)之下預(yù)定深度處的解理區(qū)來形成材料膜。在將該膜從襯底解理的過程中，解理區(qū)中的剪切被嚴(yán)密控制，以通過KII或能量傳播控制實(shí)現(xiàn)受控的傳播。根據(jù)特定實(shí)施例，通過經(jīng)由暴露于電子束輻射的硅的隔熱加來將面內(nèi)剪切分量(KII)熱保持在零附近。根據(jù)其他的實(shí)施例，表面加熱源結(jié)合注入層用于通過按解理順序引導(dǎo)斷裂傳播。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101969046SQ20091025302
公開日2011年2月9日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者F·J·亨利 申請人:硅源公司