雙層轉(zhuǎn)移方法
【專利摘要】一種轉(zhuǎn)移層（1）的方法，包括：a）提供以結(jié)合能E0與初始基板（4）整體接合的層（1）；b）根據(jù)中間結(jié)合能Ei，使所述層（1）的正面（8）結(jié)合到中間基板（5）；c）從所述層（1）分離所述初始基板（4）；e）根據(jù)最終結(jié)合能Ef，使背面（9）結(jié)合至最終基板（11）；以及f）從所述層（1）剝離所述中間基板（5）以將所述層（1）轉(zhuǎn)移到所述最終基板（11）；步驟b）包括形成硅氧烷鍵Si-O-Si的步驟，在第一無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行步驟c）并且在第二潮濕環(huán)境中進(jìn)行步驟f），使得所述中間結(jié)合能Ei在步驟c）中取第一值Ei1和在步驟f）中取第二值Ei2，其中Ei1>E0且Ei2<Ef。
【專利說(shuō)明】雙層轉(zhuǎn)移方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種由特別是半導(dǎo)體、絕緣或金屬材料組成的層的轉(zhuǎn)移方法。本發(fā)明還涉及一種包含轉(zhuǎn)移層的中間結(jié)構(gòu)和最終結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)層轉(zhuǎn)移方法。該方法和這些結(jié)構(gòu)特別地可以應(yīng)用在柔性技術(shù)、電子領(lǐng)域，例如柔性電子如智能卡、智能紡織品、MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))、NEMS (納米機(jī)電系統(tǒng))、大功率電子產(chǎn)品、RF (射頻)和微波、微電子、光學(xué)、光電和光伏。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于創(chuàng)新基板的發(fā)展，能夠?qū)⒊跏蓟宓膶愚D(zhuǎn)移到中間基板，以便采取與初始基板不兼容的工藝步驟經(jīng)常是非常關(guān)注的。此外，到中間基板上的轉(zhuǎn)移使其能夠接近(access)所述層的背面，當(dāng)該層結(jié)合在初始基板上時(shí)，不暴露該層的背面。然后，繼續(xù)進(jìn)行所述層的第二次轉(zhuǎn)移，從中間基板轉(zhuǎn)移到適合于最終應(yīng)用的最終基板上往往是必須的。為了最大限度地減少生產(chǎn)成本，必須實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)移而沒(méi)有初始和中間基板的損耗，以便能夠重復(fù)使用后者。為此，必須通過(guò)從一個(gè)基板剝離(debonding)層并將其轉(zhuǎn)移至另一個(gè)來(lái)進(jìn)行所述轉(zhuǎn)移。然而，為了實(shí)現(xiàn)兩次這樣的轉(zhuǎn)移，必須明智地選擇結(jié)合能。事實(shí)上，初始基板轉(zhuǎn)移到中間基板上需要所述層到中間基板上的結(jié)合能Ei，高于所述層到其初始基板的結(jié)合能EO。類似地，第二次轉(zhuǎn)移需要在所述層和最終基板之間的最終結(jié)合能Ef，強(qiáng)于所述層和中間基板之間的結(jié)合能Ei。這些條件可以用不等式E0〈Ei〈Ef的形式表示。
[0003]然而，這些不同結(jié)合(鍵合，bonding)的結(jié)合能的順序高度限制了用于實(shí)現(xiàn)層在不同基板上的結(jié)合以及層從這些相同基板上的選擇性剝離的許多可能技術(shù)。特別地，使用相同方法用于將所述層結(jié)合到初始基板上(第一步驟)和用于將所述層結(jié)合到最終基板上(最后步驟)似乎是不可能的。實(shí)際上，如果在第一和最后步驟進(jìn)行相同的方法或結(jié)合類型，這可以類推為具有類似結(jié)合能的結(jié)合，找到結(jié)合能強(qiáng)于第一結(jié)合同時(shí)低于最終結(jié)合的中間結(jié)合似乎是不可能的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的是克服這一缺點(diǎn)，同時(shí)確保成本有效的方法并使得能夠在所述層的背面進(jìn)行工藝步驟。
[0005]為此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于轉(zhuǎn)移由特別是半導(dǎo)體、絕緣或金屬材料組成的層的方法，所述方法包括以下步驟:
[0006]a)提供接合到初始基板的層，在所述層和所述初始基板之間具有結(jié)合能EO ；
[0007]b)根據(jù)中間結(jié)合能Ei，使所述層的正面(前面)結(jié)合到中間基板上；
[0008]c)從所述層分離(detaching)所述初始基板以暴露所述層的背面；
[0009]e)根據(jù)最終結(jié)合能Ef，使背面結(jié)合到最終基板上；以及
[0010]f)從所述層剝離所述中間基板用于將所述層轉(zhuǎn)移到所述最終基板上；
[0011]步驟b)包括形成硅氧烷鍵S1-O-Si的步驟，在第一無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行步驟c)并在第二濕環(huán)境中進(jìn)行步驟f)，使得中間結(jié)合能Ei在步驟c)取第一值Eil和在步驟f)取第二值 Ei2，其中 EiDEO 且 Ei2〈Ef。
[0012]在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)‘層’是指可以具有各種厚度的待轉(zhuǎn)移層。它可以由薄層組成，其厚度使所述層具有高柔性。因此，難以處理所述薄層并且其自身周圍容易損壞。根據(jù)本發(fā)明所述的方法有利地應(yīng)用于在每個(gè)步驟給出的這種類型的層，所述薄層接合到加強(qiáng)基板或支架上，這使其具有機(jī)械剛性。因此，可以進(jìn)行工藝步驟，尤其是蝕刻或?qū)⒉牧铣练e在連接到基板的所述層上。薄層的厚度由有關(guān)材料的固有物理性質(zhì)決定。例如，薄硅層的厚度可以在幾十納米到約150微米之間變化。
[0013]待轉(zhuǎn)移層還可以由自支持層(self-supporting layer),即一個(gè)層組成,其厚度使得該層具有足夠的剛度以容易處理。所述層還可以包括幾百微米厚度的基板或晶片。
[0014]由于是標(biāo)準(zhǔn)的，所述層的‘正面’是指當(dāng)所述層接合到初始基板上時(shí)的游離面或暴露面。相反地，所述“背面”是指與正面相對(duì)的所述層的面。
[0015]此外，本方法的步驟a)的結(jié)合能可以包括用于保持層在初始基板上的結(jié)合能或能量。
[0016]因此，根據(jù)本發(fā)明所述的方法進(jìn)行雙層轉(zhuǎn)移，使得當(dāng)正面結(jié)合到中間基板上時(shí)，可以在所述層的暴露的或游離的背面進(jìn)行工藝步驟。此外，在雙層轉(zhuǎn)移過(guò)程中，進(jìn)行蝕刻待去除的基板的步驟是常見(jiàn)的，其導(dǎo)致所述基板的損耗。根據(jù)本發(fā)明所述的方法有利地使得能夠選擇性地分離或剝落(剝離)待去除的基板，從而在本方法中可以回收它們以重新使用。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在步驟b)中產(chǎn)生的硅氧烷鍵S1-O-Si是共價(jià)鍵。因此，這些S1-O-Si鍵確保在層和中間基板之間的高中間結(jié)合能Ei。此外，這些硅氧鍵S1-O-Si對(duì)濕度的存在是敏感的。因此，可以通過(guò)改變放入硅氧烷鍵的介質(zhì)中的水含量調(diào)節(jié)結(jié)合能Ei。因此，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)步驟c)的第一環(huán)境是無(wú)水時(shí)，所述硅氧烷鍵提供大于根據(jù)本發(fā)明的步驟f)的第二濕環(huán)境中獲得的結(jié)合能Ei2的結(jié)合能Eil。
[0018]此外，這種方法使得可以避免已知的雙層轉(zhuǎn)移方法的要求。在這些方法中，實(shí)際上必要的是，結(jié)合能EO低于能量Ef值，使得中間結(jié)合能Ei在能量EO到Ef之間變化。這意味著，在層和初始基板之間以及層和最終基板之間的結(jié)合類型是不同的。然而，本發(fā)明的方法有利地使可變能量Ei能夠中間結(jié)合，使得在初始基板分離過(guò)程中，Ei可以高于E0，并且在中間基板的剝離過(guò)程中也可以低于Ef。因此，可以應(yīng)用使所述層結(jié)合到初始基板和最終基板上相同類型的結(jié)合，并使用類似于能量Ef的能量E0。
[0019]不言而喻，根據(jù)本發(fā)明所述的方法，也使得可以使用與在所述層和初始基板之間的結(jié)合不同的在所述層和最終基板之間的結(jié)合。因此，根據(jù)本發(fā)明所述的方法，可以使結(jié)合能EO不同于結(jié)合能Ef并且能量Ei2高于或等于能量Eil。
[0020]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述方法的步驟b)包括進(jìn)行直接親水結(jié)合步驟。所述層與中間基板的‘直接結(jié)合’指的是結(jié)合基于表面分子附著，從而直接接觸該表面，也就是說(shuō)，界面上不用添加膠，或者粘合劑、蠟、或低熔融溫度金屬。在這種情況下，兩個(gè)表面之間的吸引力，特別是范德華力，足夠高以引起分子附著。同樣，直接分子結(jié)合是‘親水性的’，它包括接觸兩個(gè)具有水分子保持能力的親水性表面的事實(shí)。這些結(jié)合涉及通過(guò)兩個(gè)表面之間氫鍵形成的相互作用。這些結(jié)合提供了一種最強(qiáng)相互作用的范德華鍵。因此，這種直接親水結(jié)合方式確保在室溫時(shí)層和中間基板之間的強(qiáng)結(jié)合能。[0021]優(yōu)選地,步驟b)的直接親水結(jié)合之后為結(jié)合穩(wěn)定退火(annealing)步驟。該退火在于施加熱處理幾分鐘到幾小時(shí)，以促進(jìn)兩個(gè)表面之間氫鍵和共價(jià)鍵的形成。由此獲得緊密結(jié)合，其大于通過(guò)簡(jiǎn)單放置為直接接觸親水表面而提供的結(jié)合能。
[0022]根據(jù)一個(gè)可替代的實(shí)施方式，所述方法的步驟b)包括進(jìn)行陽(yáng)極結(jié)合(anodicbonding)的步驟。“陽(yáng)極結(jié)合”是指如上所述的直接結(jié)合，包括接觸硅層和硅氧層或兩個(gè)硅氧層，高溫?zé)崽幚砗退鰧雍?或待結(jié)合基板之間的高電位差。所述熱處理溫度通常為約400 V和施加的電位差通常在幾百伏的數(shù)量級(jí)。
[0023]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述方法包括，在步驟b)之前的化學(xué)機(jī)械拋光步驟和/或清洗所述層的正面和所述中間基板表面的步驟。所述化學(xué)機(jī)械拋光也被技術(shù)人員稱為CMP，具有減少待結(jié)合表面的粗糙度的效果，以改善表面接近，以增加相互作用并促進(jìn)結(jié)合形成。施加拋光直至獲得在5微米X 5微米范圍內(nèi)小于約5埃RMS (均方根)的粗糙度。此外，清洗具有去除表面上單個(gè)顆粒的效果，這些單個(gè)顆?？赡懿焕诤芎玫慕Y(jié)合。在表面接觸之前，清洗還能使表面親水。因此，這些步驟使得可以達(dá)到良好的直接親水結(jié)合。
[0024]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述方法包括分別在所述層的正面和中間基板上，形成硅層或者選自天然SiO2、熱SiO2、沉積Si02、SiOx和SixOyNz的氧化層的步驟。所述方法的步驟
b)還包括形成的層彼此接觸的步驟，以實(shí)現(xiàn)形成硅氧烷鍵S1-0-Si。非化學(xué)計(jì)量的硅氧化物SiOx的X值不同于零。同樣地，氮氧化硅SixOyNz的X、y和z值不同于零。硅層將在空氣中氧化而形成天然氧化層，從而能夠形成S1-O-Si鍵。因此，這些層使得能夠在所述層和中間基板之間形成共價(jià)鍵并獲得高的中間結(jié)合能Ei。
[0025]天然氧化物是在空氣存在下在硅材料表面天然形成的氧化物。這種氧化層的厚度天然地限制在約10到15埃?？梢酝ㄟ^(guò)在濕環(huán)境中硅的熱氧化獲得熱硅氧化物。也可以通過(guò)干法或濕法化學(xué)制備該氧化物。通常通過(guò)使用各種已知的技術(shù)，如通過(guò)CVD(化學(xué)氣相沉積)和PVD (物理氣相沉積)等沉積獲得沉積的氧化物SiO2、氧化物SiOx和氮氧化物SiOxNy。也可以用等離子技術(shù)生成所述氧化物，如RIE (反應(yīng)離子刻蝕)刻蝕、ICP (電感耦合等離子體)或ECR(電子回旋共振)。可以單獨(dú)使用或組合使用這些氧化物發(fā)展(生成，development)技術(shù)。進(jìn)一步可以理解，氧化物可以包括摻雜元素，而不脫離本發(fā)明的范圍。在本申請(qǐng)中，熱處理可以應(yīng)用到沉積的氧化物，以使它們更加致密并改變其結(jié)合性能。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述方法的第一無(wú)水環(huán)境具有小于Ippm的水蒸汽含量。在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)‘無(wú)水環(huán)境’定義了含有比由下面使用的表述‘濕環(huán)境’所定義的環(huán)境更低濕度的環(huán)境。該無(wú)水環(huán)境有益于層和初始基板之間的分離。事實(shí)上，沒(méi)有濕度存在使得能夠在層和中間基板之間獲得高結(jié)合能Eil，以使能量Eil高于層和初始基板之間的結(jié)合能EO。
[0027]優(yōu)選地，所述無(wú)水環(huán)境是干燥氮?dú)猸h(huán)境。使用該環(huán)境的益處在于，它易于產(chǎn)生并為所使用的材料提供中性環(huán)境。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述方法的第二濕環(huán)境具有在20%到80%之間變化的濕度含量。事實(shí)上，濕度的存在促進(jìn)了薄層和中間基板之間的結(jié)合能的比例減弱。因此，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臐穸缺嚷剩梢允鼓芰縀i2值變化。
[0029]優(yōu)選地，所述第二環(huán)境包括約40%的濕度比率。事實(shí)上，潔凈室的環(huán)境通常具有40%的濕度比率。因此，沒(méi)有必要提供具體外殼，其環(huán)境濕度比率將被調(diào)節(jié)為不同于潔凈室以進(jìn)行剝離。
[0030]有利地，步驟c)的分離和/或步驟f)的剝離包括分別在層和初始基板之間以及中間基板和層之間同時(shí)施加機(jī)械應(yīng)力，如通過(guò)使用鉗夾、施用刀片或楔。事實(shí)上，機(jī)械應(yīng)力使得能夠減弱步驟c)中結(jié)合能EO和步驟f)中結(jié)合能Ei2。特別地，鉗夾使其能夠利用吸引機(jī)理在最弱界面從所述基板分離所述層。
[0031]根據(jù)一個(gè)可替換的實(shí)施方式，步驟c)的分離包括施加干燥空氣或氮?dú)獾募訅簢娚?、或激光輻射?br> [0032]根據(jù)另一個(gè)可替換的實(shí)施方式，通過(guò)濕空氣或水的加壓噴射獲得步驟f)的剝離。
[0033]該方法另一個(gè)可選特征存在于在步驟c)和e)之間進(jìn)行的技術(shù)步驟d)，其應(yīng)用到所述層的背面，所述技術(shù)步驟的熱預(yù)算(thermal budget)具有小于閾值(超過(guò)該閾值時(shí)，Ei2>Ef)的值。熱預(yù)算是指在給定的時(shí)間段內(nèi)施加的熱處理。事實(shí)上，施加熱預(yù)算可以引發(fā)新的硅氧烷鍵的形成，進(jìn)一步加強(qiáng)層和中間基板之間的中間結(jié)合能Ei2。從而，監(jiān)測(cè)熱預(yù)算使得可以確保中間結(jié)合能Ei2保持低于最終結(jié)合能Ef。因此，該技術(shù)步驟d)使得可以通過(guò)與中間基板結(jié)合而官能化機(jī)械硬化層的后面，同時(shí)限制中間結(jié)合能Ei2以將所述層轉(zhuǎn)移到最終基板上。
[0034]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述技術(shù)步驟d)包括至少一個(gè)材料層的離子蝕刻和/或化學(xué)蝕刻和/或光刻和/或沉積，該材料層尤其選自半導(dǎo)體材料?？梢酝ㄟ^(guò)外延來(lái)實(shí)現(xiàn)所述層的沉積，并且可以包括一個(gè)或多個(gè)緩沖層的形成以調(diào)整所述層材料的晶格常數(shù)的參數(shù)，從而作為所述外延層材料的晶種。
[0035]優(yōu)選地，所述方法的步驟e)包括通過(guò)粘合劑膜進(jìn)行的結(jié)合步驟，所述粘合劑膜如二乙烯基硅氧烷-雙-苯并環(huán)丁烯(DVS-bis-BCB)、聚酰亞胺或光敏聚合物膜。使用粘合劑膜使其能夠獲得簡(jiǎn)單進(jìn)行的結(jié)合，尤其在沒(méi)有必要平面化`和清洗具有很大精度的表面上。
[0036]根據(jù)一個(gè)可替換的實(shí)施方式，所述方法的步驟e)包括分子附著結(jié)合步驟，使得最終結(jié)合能具有獨(dú)立于第二環(huán)境的濕度比率的值Ef。特別地，該結(jié)合可以通過(guò)將氮化硅SixNy或SiNx:H的層沉積在所述層的背面和/或最終基板上來(lái)進(jìn)行。X和y值分別不同于零，例如，氮化物可以是Si3N4。還可以通過(guò)直接疏水結(jié)合產(chǎn)生該結(jié)合。通過(guò)分子附著的結(jié)合的益處是它可以產(chǎn)生高結(jié)合能。
[0037]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)形成多孔層獲得所述層和初始基板之間的結(jié)合能E0，所述層沉積在該多孔層上。例如，通過(guò)Eltran方法獲得所述多孔層，說(shuō)明性實(shí)例可以參見(jiàn)T.Yonehara, K.Sakagushi 和 N.Sato, Appl.Phys.Lett..vol.64(16)pp.2108-2110(1994)。所述多孔層的益處在于具有低保持能E0，在所述方法的步驟c)過(guò)程中，這促使層和初始基板之間的鍵的斷裂。此外，將所述層沉積在多孔層的頂面的事實(shí)，使得可以接近顯著厚度的層，其它形成方法難以達(dá)到。優(yōu)選地，通過(guò)外延，所述層沉積在多孔層上以形成單晶層。
[0038]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)植入離子物質(zhì)穿過(guò)基板的正面獲得所述層，以在所述層和初始基板的任一面獲得弱化平面(weakening plane)。在弱化平面,所述層和初始基板之間的結(jié)合能EO足夠低以促使所述層轉(zhuǎn)移至中間基板上。就這一點(diǎn)而言，可以使用SmartCut?(智能剝離)技術(shù),例如其描述可參見(jiàn)Jean-Pierre Colinge的Silicon-On-1nsulatorTechnology !Materials to VLSI,第二版(Kluwer 學(xué)術(shù)出版社，第 50 和 51 頁(yè))。
[0039]在根據(jù)本發(fā)明所述方法的步驟a)的兩個(gè)上述實(shí)施方式中，以及當(dāng)根據(jù)本發(fā)明所述方法的步驟e)包含分子附著結(jié)合步驟時(shí)，顯而易見(jiàn)的是，結(jié)合能EO低于結(jié)合能Ef。因此，能量Ei2可以高于能量Eil。
[0040]優(yōu)選地，所述層包括單晶硅材料且所述中間基板包括硅材料。中間基板的材料為單晶或多晶硅形式，使其能夠確保高耐溫性和高耐腐蝕環(huán)境，以使得能夠在所述層上應(yīng)用許多類型的工藝步驟。
[0041]可替換地，所述層包括選自由硅和鍺構(gòu)成的材料，來(lái)自第I1-VI族元素的材料，以及來(lái)自第II1-V族元素的二元、三元或四元材料中的材料。所述材料II1-V特別利于應(yīng)用于光伏和光電，特別是制造激光器和二極管。此外，當(dāng)構(gòu)成材料具有極性晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，含元素II1-N的材料如GaN也可以如此的情況下，所述層可以表現(xiàn)為不同極性的兩個(gè)面，從而產(chǎn)生不同性能。因此，能夠接近和官能化具有不同于正面的性質(zhì)的所述層的背面是特別關(guān)注的。
[0042]初始基板材料和最終基板材料包括:選自藍(lán)寶石、硅、鍺、氧化硅、玻璃、石英中的材料，來(lái)自第I1-VI族元素的材料，來(lái)自第II1-V族元素的二元、三元或四元材料如AsGa、InP或GaN，金屬、金屬合金和聚合物，例如聚酰亞胺如Kapton?。選自聚合物中的材料具有容易通過(guò)粘合劑膜結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。也可以通過(guò)多種技術(shù)從薄層分離所述聚合物，優(yōu)選通過(guò)施加與剝離應(yīng)力相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力。此外，聚合物基板的柔性可以明智地用于柔性技術(shù)、柔性電子領(lǐng)域，如智能卡、智能紡織品，特別用于制造應(yīng)變計(jì)。
[0043]根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及由疊層形成的中間結(jié)構(gòu)，包括:
[0044]-聚合物材料的最終基板，
[0045]-基于二乙烯基硅氧烷-雙-苯并環(huán)丁烯(DVS-bis-BCB)的粘合劑膜，
[0046]-單晶硅層，以及
[0047]-通過(guò)硅氧烷鍵S1-O-Si結(jié)合到所述層的正面的硅中間基板。
[0048]因此，利用這種結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)使存在于大氣中的濕度比率改變，促使從中間基板剝離所述層，用于轉(zhuǎn)移到最終基板上。
[0049]特別地，在濕度含量在20到80%之間變化的環(huán)境中，所述層的背面和中間結(jié)構(gòu)的最終基板之間的最終結(jié)合能Ef高于所述層的正面和中間基板之間的中間結(jié)合能Ei2。在這些條件下，因此，能夠從中間基板剝離所述層。
[0050]有利地，所述層的背面呈現(xiàn)具有用于柔性技術(shù)和柔性電子領(lǐng)域的特征。
[0051]根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及最終結(jié)構(gòu)，包括:
[0052]-聚合物材料的最終基板，
[0053]-基于DVS-bis-BCB的粘合劑膜，以及
[0054]-單晶硅層，
[0055]所述層的背面呈現(xiàn)具有用于柔性技術(shù)、柔性電子領(lǐng)域的特征，如智能卡、智能紡織品、電子學(xué)、MEMS、NEMS、大功率電子產(chǎn)品、RF和微波、微電子、光學(xué)、光電和光伏。
[0056]因此，官能化的層可以在上述領(lǐng)域裝置中用作活性層。另外，作為游離的和暴露的所述層的正面，也可以在該表面進(jìn)行工藝步驟。
[0057]在閱讀下面描述的兩個(gè)實(shí)施方式之后，本發(fā)明的其它方面、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中這兩個(gè)實(shí)施方式以非限制性實(shí)施例的方式以及參照附圖給出。為提高可讀性，這些圖不一定符合所有代表要素的比例。附圖中使用了虛線以清楚并明確地說(shuō)明材料的層，盡管這些虛線并非是，但是該材料層是連續(xù)的形式。在描述的其余部分，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，相同、類似或相當(dāng)于不同實(shí)施方式的要素具有相同參考標(biāo)號(hào)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0058]圖1A至圖1J表示轉(zhuǎn)移根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方式的層的方法步驟。
[0059]圖2是在無(wú)水環(huán)境和濕環(huán)境中，中間結(jié)合能Ei根據(jù)溫度變化的示意圖。
[0060]圖3A和圖3E表示轉(zhuǎn)移根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方式的材料層的方法步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0061 ] 參考圖1A，基于具有厚度約725微米的硅供體基板100進(jìn)行所述方法，將制備從該基板待轉(zhuǎn)移的層I。這種基板100通常在其表面的外周具有根據(jù)SEMI標(biāo)準(zhǔn)制得的下降邊緣(fallen edge)。這些下降邊緣有利于基板處理，否則基板將剝落并在表面生成顆粒，容易阻礙后續(xù)結(jié)合。當(dāng)接觸空氣時(shí)，在所述基板100的表面上形成天然氧化層2。由DVS-bis-BCB聚合物制成的粘合劑膜3沉積在硅基板100上，通過(guò)離心涂布或旋轉(zhuǎn)涂布(本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法)而具有10微米厚度。然后，通過(guò)在250°C進(jìn)行熱處理I小時(shí)交聯(lián)DVS-bis-BCB膜3。聚合物基板4，例如聚酰亞胺如“Kapton?”，具有大于50微米的厚度，然后通過(guò)在溫度250°C熱壓制，通過(guò)交聯(lián)的DVS-bis-BCB的膜3結(jié)合在硅供體基板100上。
[0062]參考圖1B，然后，減薄硅基板100直至獲得厚度約50微米的待轉(zhuǎn)移層I，例如通過(guò)磨制、化學(xué)下降(chemical planning down)和化學(xué)機(jī)械拋光CMP。與初始聚酰亞胺基板4結(jié)合的硅層I具有約2J/m2的平均結(jié)合能E0。天然氧化層2與空氣接觸，天然地形成在硅層I的表面。
[0063]參見(jiàn)圖1C，涂有天然氧化層6和沉積硅氧化層7的硅中間基板5通過(guò)直接親水結(jié)合在所述硅層I的正面8上。預(yù)先制備硅層I的正面8和中間基板5用于結(jié)合。通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光平面化所述硅層1，以達(dá)到在5微米X 5微米范圍內(nèi)的表面粗糙度小于5埃RMS。對(duì)層I和硅中間基板5施加化學(xué)清洗。為此，在21 °C，在去離子水溶液(含有20ppm溶解臭氧的去離子水)中，浸泡所述中間基板5和層I持續(xù)10分鐘。第一次化學(xué)清洗確保去除單個(gè)顆粒，特別是表面上存在的烴顆粒。然后用去離子水沖洗中間基板5和層I。之后在APM(氨過(guò)氧化氫混合物)溶液中，在45°C浸泡10分鐘，該APM溶液包括，例如，分別以5:1:1比例的去離子水、氨(30%)和過(guò)氧化氫(30%)的混合物。第二次清洗使得能夠結(jié)束硅表面顆粒的清洗。含有氨的溶液富含OH-離子。然后，這些離子將與在硅表面生成的懸垂鍵反應(yīng)，以形成硅醇端基S1-OH，該硅醇端基引起表面親水化并促進(jìn)直接親水結(jié)合。之后，用去離子水沖洗中間基板5和層I并干燥。然后涂有干凈的氧化層7并具有S1-OH端基的硅中間基板5與涂有天然氧化層2的硅層I的正面8接觸用于直接親水結(jié)合，如圖1D所示。
[0064]然后，在200°C進(jìn)行熱處理或結(jié)合退火2小時(shí)，以增強(qiáng)中間結(jié)合能Ei。事實(shí)上，這種熱處理促使S1-OH端基之間的氫鍵以及在層I和中間基板5之間的界面處共價(jià)鍵S1-O-Si的形成。
[0065]根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)可能的實(shí)施方式(未示出)，涂有天然氧化層6和沉積硅氧化層7的硅中間基板5，通過(guò)陽(yáng)極結(jié)合而結(jié)合在硅層I的正面8上，從而形成硅氧烷鍵S1-O-Si。特別地，通過(guò)接觸表面7、8，在約400°C熱處理以及層I和中間基板5之間的電位差在幾百伏數(shù)量級(jí)結(jié)合來(lái)獲得陽(yáng)極結(jié)合。
[0066]參見(jiàn)圖1E，將由結(jié)合到中間基板5的層I組成的結(jié)構(gòu)置于無(wú)水環(huán)境中，使得硅氧烷鍵S1-O-Si不被與水分子的相互作用減弱。在這種環(huán)境中，中間結(jié)合能Ei取值Eil約
2.5J/m2，該值高于層I和初始基板4之間的約2J/m2的結(jié)合能E0，其結(jié)合將首先被破壞。因此，在層I和初始基板4之間的界面施加由圖1E所示的箭頭表示的機(jī)械應(yīng)力，以促使初始基板4的分離。
[0067]參考圖1F，獲得了結(jié)合到硅層I的正面8上的硅中間基板5，從而暴露了層I的背面9。因此，可以在層I的背面9上進(jìn)行一種或幾種工藝步驟，由于該背面與中間基板5的結(jié)合而被機(jī)械硬化。所述層I的背面9的官能化在聚合物中間基板5的存在下是不可能實(shí)現(xiàn)的，該聚合物中間基板是不耐高溫和過(guò)度強(qiáng)烈處理的。優(yōu)選地，所述工藝步驟不涉及高于退火結(jié)合使用的溫度，從而通過(guò)生成其它共價(jià)硅氧烷鍵，不增加結(jié)合能Ei，除非所施加的熱預(yù)算最終使其能夠達(dá)到Ei2〈Ef。
[0068]參考圖1G，形成了 DVS-bis-BCB膜12，然后交聯(lián)到最終聚酰亞胺基板11如Kapton?的表面。BIS-DVS-BCB膜12與官能化的層I的背面9接觸，以獲得與層I在初始基板4上相同類型的結(jié)合。因此，所述最終結(jié)合能Ef類似于結(jié)合能E0，在本實(shí)施方式中，即約 2J/m2。
[0069]圖1H示出了由此得到的中間結(jié)構(gòu)13。所述中間結(jié)構(gòu)13包括聚合物材料11的最終基板11，通過(guò)基于DVS-BIS-BCB的粘合劑膜12結(jié)合到硅層I的背面9上，具有能量Ef，并且所述層I的正面8結(jié)合到硅中間基板5上，具有能量Ei。
[0070]參見(jiàn)圖1I，將中間結(jié)構(gòu)13置于含有約40%濕度的潔凈室的濕環(huán)境中。在機(jī)械應(yīng)力下，通過(guò)形成與水分子相互作用，減弱共價(jià)鍵S1-0-Si。所述硅氧烷鍵被侵蝕(破壞，corrode),并在接觸表面上趨于形成娃醇端基Si_0H。因此,在這個(gè)實(shí)施方式中，中間結(jié)合能Ei取值Ei2約lj/m2，低于最終約2J/m2的結(jié)合能Ef值。然后，在最弱的結(jié)合能Ei2處施用刀片。S1-O-Si鍵的侵蝕機(jī)理用來(lái)完成機(jī)械剝離機(jī)理，如刀片在硅層I和中間基板5之間向前移動(dòng)。
[0071]參考圖1J，所述中間基板5已經(jīng)從層I的正面8剝離。由此獲得了含有硅層I的最終結(jié)構(gòu)14，其背面9通過(guò)基于DVS-BIS-BCB的膜12結(jié)合到最終聚酰亞胺基板11上。
[0072]圖2示出了說(shuō)明由涂布在天然氧化層2中的硅層I和涂布在熱氧化層7中的硅中間基板5之間的直接親水結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得的能量Ei的變化圖。兩條曲線分別表示在無(wú)水環(huán)境(三角形-Eil)和濕環(huán)境(正方形-Ei2)中結(jié)合能根據(jù)所施加的溫度的變化?？磥?lái)在低于閾值溫度，對(duì)于兩個(gè)能量EiI和Ei2，結(jié)合能較低。事實(shí)上，在該溫度范圍內(nèi)，通過(guò)范德華型相互作用，所述層I主要結(jié)合到中間基板5。超過(guò)這個(gè)閾值溫度，所述結(jié)合能Eil和Ei2隨陡坡增加。這種增加可以歸因于共價(jià)鍵的生成，特別是在兩個(gè)結(jié)合表面之間的S1-O-Si型鍵。然而，值得一提的是，能量Eil的變化斜率較能量Ei2變化斜率明顯大得多。尤其是可以獲得能量Eil和能量Ei2比值接近4。該圖進(jìn)一步顯示了本發(fā)明所述的方法可以有利地應(yīng)用于寬的溫度范圍，對(duì)此結(jié)合能Eil明顯高于能量Ei2。
[0073]現(xiàn)在參考圖3A至圖3E描述根據(jù)本發(fā)明所述方法的第二個(gè)實(shí)施方式，在這種情況下，初始結(jié)合能EO是多孔層15的保持能。根據(jù)圖3A，通過(guò)制備硅基板多孔的表面層首先獲得含有多孔硅層15的結(jié)構(gòu)。例如，通過(guò)Eltran方法進(jìn)行多孔層的形成。然后通過(guò)在所述多孔層15上外延，沉積單晶硅層I。例如，厚度為0.5微米和80%孔隙率的所述多孔層15，是使得能夠在硅層I和初始硅基板4之間保持的層。這種多孔層15具有約2J/m2結(jié)合能EO0然后，通過(guò)在濕環(huán)境中熱處理，在硅層I的正面8上形成熱氧化層16。如果需要的話，通過(guò)CMP平面化所述層1，直至在5微米X 5微米的范圍內(nèi)達(dá)到小于5埃RMS的粗糙度。具有天然硅氧化層17的硅中間基板5在被放置于與層I的正面8接觸之前制備。這種制備方法，同樣在層I的正面8上進(jìn)行，包括步驟用SPM溶液在130°C (硫酸和過(guò)氧化氫混合物)清洗，例如，含有硫酸(98%)和過(guò)氧化氫(30%)以每I體積過(guò)氧化氫3體積酸的比例，然后如上所述，用APM溶液清洗。接觸由此得到的潔凈和親水性表面以直接親水結(jié)合。在200°C進(jìn)行這種結(jié)合的穩(wěn)定退火2小時(shí)。
[0074]參考圖3B，由此得到的結(jié)構(gòu)置入干燥氮?dú)庵校@使得能夠獲得含有小于Ippm水蒸汽的無(wú)水環(huán)境。從而，親水結(jié)合表現(xiàn)出值為約2.5J/m2的中間結(jié)合能Eil，其遠(yuǎn)高于該實(shí)施方式的多孔硅層15的結(jié)合能E0。然后，應(yīng)用鉗夾，由圖3B所示的箭頭表示，使得在所述層I和初始基板4之間最弱的能量界面處分離。
[0075]參考圖3C，轉(zhuǎn)移到中間基板5的層I的背面9暴露，使得可以對(duì)其進(jìn)行工藝步驟，如CMP、離子刻蝕和/或?qū)映练e和/或光刻。顯而易見(jiàn)的是，對(duì)于上述方法，這些工藝步驟應(yīng)不應(yīng)超過(guò)熱預(yù)算(溫度和時(shí)間)，否則可能增強(qiáng)中間結(jié)合并導(dǎo)致不等式Ef〈Ei2。然后根據(jù)以上參照?qǐng)D1A至IJ描述的相同實(shí)施方式，通過(guò)交聯(lián)的DVS-BIS-BCB膜12，使聚酰亞胺型聚合物的最終基板11結(jié)合到層I的背面9上。
[0076]參考圖3D，然后獲得了具有最終結(jié)合能Ef的中間結(jié)構(gòu)13，最終結(jié)合能Ef具有類似于約2J/m2的初始結(jié)合能EO的值。
[0077]如圖3E所示,將中間結(jié)構(gòu)13置于濕環(huán)境中，通常包含潔凈室的濕度比率(約40%)。共價(jià)硅氧烷S1-O-Si鍵，層I和中間基板5之間的高結(jié)合能的來(lái)源，在水存在下，當(dāng)施加機(jī)械剝離應(yīng)力(或牽引力)時(shí)趨于破壞，以形成低能量的硅醇端基S1-OH，通過(guò)氫鍵產(chǎn)生結(jié)合。中間結(jié)合能取值Ei2為約lj/m2。這種技術(shù)使得可以在具有最低能量Ei2的結(jié)合界面，選擇性地促進(jìn)層I的剝離。在分離點(diǎn)水的存在增加了硅氧烷鍵的侵蝕，在機(jī)械應(yīng)力施加于結(jié)合界面的同時(shí)，該硅氧烷鍵斷裂形成減少結(jié)合能的硅醇端基。一旦中間基板5從最終結(jié)構(gòu)14分離，便將其清洗以在另一個(gè)方法中回收。
[0078]因此，可以以聚合物材料形式獲得含有最終基板11的最終結(jié)構(gòu)14，通過(guò)選擇和簡(jiǎn)單地實(shí)施雙層轉(zhuǎn)移方法，所述硅層I官能化的背面9結(jié)合到該聚合物材料上。這種最終結(jié)構(gòu)14，以及通過(guò)上述第一個(gè)實(shí)施方式獲得的最終結(jié)構(gòu)，可以用于柔性技術(shù)、柔性電子領(lǐng)域中應(yīng)用，如智能卡、智能紡織品、電子產(chǎn)品、MEMS、NEMS、大功率電子產(chǎn)品、RF和微波、微電子、光學(xué)、光電和光伏。在這些領(lǐng)域的設(shè)備中，轉(zhuǎn)移的層I和/或可能沉積在其表面的層，可以有利地用作活性層。例如，當(dāng)最終基板11具有足夠的柔性時(shí)，可以得到應(yīng)變計(jì)。
[0079]此外，該方法還允許在層I和初始基板4(多孔層15)之間以及層I和最終基板11(通過(guò)粘合劑結(jié)合)之間使用兩種不同類型的結(jié)合。
[0080]另外，本發(fā)明所述的方法也可以使用的高于結(jié)合能EO的能量Ef在直至能量Ef保持低于中間結(jié)合能Eil的范圍內(nèi)?？梢垣@得這個(gè)，例如根據(jù)參考圖1A至IJ的第一個(gè)上述實(shí)施方式，除了接觸層I和最終基板11后，在最終基板11上進(jìn)行所述DVS-BIS-BCB膜12的交聯(lián)之外。用于所述層I與最終基板11結(jié)合的熱壓制處理，實(shí)際上可以用來(lái)交聯(lián)所述DVS-BIS-BCB膜12。由此獲得的結(jié)合允許在表面之間更強(qiáng)的粘合，使得結(jié)合能Ef大于能量
EO0
[0081]此外，本發(fā)明并不限于一個(gè)層I和基板4、5或具有確定直徑的晶片形狀的11。本發(fā)明還涉及任何其它形狀類型的層I和基板4、5或11，特別是層I或平行六面體基板4、5或11且這可以由若干層構(gòu)成。
[0082]因此，本發(fā)明通過(guò)提供一種轉(zhuǎn)移層I (可以容易進(jìn)行)的方法，提供了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，該方法使得能夠回收基板4、5，在層I的背面9上應(yīng)用工藝步驟以及形成含有轉(zhuǎn)移到基板上的層I的最終結(jié)構(gòu)14 (具有各種結(jié)合類型)。
[0083]不言而喻，本發(fā)明并不限于上述通過(guò)實(shí)施例方式描述的實(shí)施方式，而是包括所有技術(shù)等同物和描述的裝置的替換形式及其組合。
【權(quán)利要求】
1.一種轉(zhuǎn)移層(I)的方法，所述層特別是由半導(dǎo)體、絕緣或金屬材料組成，所述方法包括以下步驟: a)提供接合到初始基板(4)的層(I )，在所述層(I)和所述初始基板(4)之間具有結(jié)合能EO ； b )根據(jù)中間結(jié)合能Ei，使所述層(I)的正面(8)結(jié)合到中間基板(5)上； c )從所述層(I)分離所述初始基板(4)以暴露所述層(I)的背面(9 ); e )根據(jù)最終結(jié)合能Ef，使背面(9 )結(jié)合至最終基板(11)上；以及 f )從所述層(I)剝離所述中間基板(5)以將所述層(I)轉(zhuǎn)移到所述最終基板(11)上； 步驟b)包括形成硅氧烷鍵S1-O-Si的步驟，在第一無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行步驟c)并且在第二濕環(huán)境中進(jìn)行步驟f)，使得所述中間結(jié)合能Ei在步驟c)中取第一值Eil和在步驟f)中取第二值Ei2，其中EiDEO且Ei2〈Ef。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，步驟b)包括進(jìn)行直接親水結(jié)合的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，步驟b)包括進(jìn)行陽(yáng)極結(jié)合的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述方法包括分別在所述層(I)的正面(8)和所述中間基板(5)上，形成硅層或者選自天然SiO2、熱Si02、沉積Si02、Si0x和SixOyNz中的氧化層的步驟，并且步驟b)包括所述使所形成的層相互接觸的步驟，以獲得硅氧烷鍵S1-O-Si的形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述第一無(wú)水環(huán)境具有低于Ippm的水蒸氣含量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述第二濕環(huán)境具有范圍在20%至80%之間的濕度含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，步驟c)的分離和/或步驟f)的剝離包括在所述層(I)和所述初始基板(4)之間以及在所述中間基板(5)和層(I)之間同時(shí)施加機(jī)械應(yīng)力，如分別使用鉗夾、施用刀片或楔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述方法包括在步驟c)和e)之間進(jìn)行的工藝步驟d)，并且所述工藝步驟施用于所述層(I)的所述背面(9)，所述工藝步驟的熱預(yù)算具有低于閾值的值，超過(guò)所述閾值時(shí)Ei2>Ef。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，步驟e)包括通過(guò)粘合劑膜(3)如二乙烯基硅氧烷-雙-苯并環(huán)丁烯(DVS-bis-BCB)、聚酰亞胺、或光敏聚合物膜進(jìn)行的結(jié)合步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，步驟e)包括分子附著結(jié)合步驟，使得最終結(jié)合能具有獨(dú)立于所述第二環(huán)境的所述濕度比率的值Ef。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，通過(guò)形成多孔層(15)得到所述層(I)和所述初始基板(4)之間的所述結(jié)合能E0，其中在所述多孔層(15)上沉積所述層(I)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述層(I)包括單晶娃材料且所述中間基板(5 )包括娃材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述層(I)包括選自由硅和鍺構(gòu)成的材料，第I1-VI族元素的材料，以及來(lái)自第II1-V族元素的二元、三元、或四元材料中的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)移層(I)的方法，其特征在于，所述初始基板(4)的材料和所述最終基板(11)的材料包括選自以下各項(xiàng)中的材料:監(jiān)寶石，娃，錯(cuò)，二氧化硅，玻璃，石英，來(lái)自第I1-VI族元素的材料，來(lái)自第II1-V族元素的二元、三元、或四元材料如AsGa、InP、或GaN,金屬，金屬合金,和聚合物,例如聚酰亞胺如Kapton'.,
15.一種由疊層形成的中間結(jié)構(gòu)(13)，包括: -聚合物材料的最終基板(11)， -基于二乙烯基硅氧烷-雙-苯并環(huán)丁烯(DVS-bis-BCB)的粘合劑膜(3)， -單晶硅層(1)，以及 -硅的中間基板(5)，通過(guò)硅氧烷鍵S1-O-Si結(jié)合到所述層(I)的正面(8)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的中間結(jié)構(gòu)(13)，其特征在于，在濕度含量范圍在20至80%之間的環(huán)境中，所述層(I)的背面(9)和所述最終基板(11)之間的最終結(jié)合能Ef高于所述層(I)的正面(8)和所述中間基板(5)之間的中間結(jié)合能Ei2。
17.一種最終結(jié)構(gòu)(14)，包括: -聚合物材料的最終基板(11) -基于二乙烯基硅氧烷-雙-`苯并環(huán)丁烯(DVS-bis-BCB)的粘合劑膜(3)，以及 -單晶硅層(I )， 所述層(I)的背面(9)表現(xiàn)出應(yīng)用于柔性技術(shù)、柔性電子產(chǎn)品的特征，所述柔性技術(shù)、柔性電子產(chǎn)品如智能卡、智能紡織品、電子產(chǎn)品、MEMS、NEMS、大功率電子產(chǎn)品、RF和微波、微電子、光學(xué)、光電和光伏。
【文檔編號(hào)】H01L21/20GK103875062SQ201280048909
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月4日
【發(fā)明者】弗蘭克·富爾內(nèi)爾, 馬克西姆·阿古德, 杰里米·達(dá)豐塞卡, 胡貝特·莫里索 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能及替代能源委員會(huì)