用于受控层传送的方法技术领域
本公开涉及半导体器件制造,并且,更特别地,涉及利用在基底
基板的边缘附近形成的应激层的自钉扎应激层部分的受控层传送的方
法。
背景技术
通过使用受控散裂技术(controlled spalling technology)从脆性
基板去除表面层有希望成为用于改变高效率光生伏打材料的成本结构
以及启用半导体技术领域中的新特征(例如,柔性光生伏打、柔性电
路和显示器)的强大的方法。该技术的基础是在要被散裂的基底基板
的表面上施加拉伸应激层(stressor layer)。拉伸应激层具有足以在
基底基板中引起散裂模式断裂(spalling mode fracture)的组合的厚
度和应力。在例如Bedell等的美国专利申请公开No.2010/0311250中
公开了这种散裂过程。
散裂的实验看起来表明这是关键的现象;在拉伸应激层中给定足
够高的厚度和应力值,散裂模式断裂自发地出现。但是,存在亚稳态
的适度较大的处理窗口。对于散裂模式断裂不稳定的应激厚度和应力
组合将是“成核”或“初始限制的”。
然后使用施加到应力/基板组合的表面的操作层,以控制导致从基
底基板去除连续的表面层的起始和断裂扩展。
发明内容
本公开涉及可阻碍断裂的散裂模式以及增加应激/基板组合的亚
稳定性的方法。通过有意地阻碍自发散裂模式断裂的可能性直到它可
在受控条件下进行的时间,增加趋于减少作为晶片破坏或早熟(即,
不受控)散裂的结果的材料损失的该技术的可用处理窗口。并且,本
公开的方法允许任意地接近基底基板的边缘出现层传送。
在本公开中,使用包含应激层部分和自钉扎应激层部分的应激层。
在基底基板的上表面上面形成的应激层部分具有导致在基底基板内出
现散裂模式断裂的临界厚度和应力值。存在于基底基板的边缘附近的
自钉扎应激层部分具有亚临界厚度和应力值。由于自钉扎应激层部分
低于导致出现散裂模式断裂所需要的临界厚度和应力值,因此自钉扎
应激层部分保持钉扎到基底基板的边缘上。因而,自钉扎应激层部分
通过应激材料的强度在基底基板的上表面上面向下保持应激层部分。
这阻碍自发散裂模式断裂的可能性,直到它可在受控的条件下进行的
时间。然后从自钉扎应激层部分释放应激层部分,并且在受控的条件
下出现散裂。
在本公开的一个实施例中,提供受控层传送的方法。该方法包括
向基底基板提供应激层。应激层具有位于基底基板的上表面上面的应
激层部分和位于与基底基板的各侧壁边缘相邻的自钉扎应激层部分。
然后,在应激层的应激层部分上面施加散裂抑制体,以及然后从应激
层部分去耦合应激层的自钉扎应激层部分。然后从原始的基底基板散
裂位于应激层部分下面的基底基板的一部分。散裂包含从应激层部分
上面位移散裂抑制体。在散裂之后,从基底基板的散裂部分上面去除
应激层部分。
附图说明
图1是示出可在本公开的一个实施例中使用的初始基底基板的示
图表现(通过截面图)。
图2是示出在其上面形成包含应激层部分和自钉扎应激层部分的
应激层之后的图1的基底基板的示图表现(通过截面图)。
图3是示出在应激层的应激层部分上形成可选的操作基板之后的
图2的结构的示图表现(通过截面图)。
图4是示出将散裂抑制体施加到可选的操作基板上并向基底基板
的最底面施加可选的支撑板之后的图3的结构的示图表现(通过截面
图)。
图5是示出从应激层部分释放(即,去耦合)应激层的自钉扎应
激层部分之后的图4的结构的示图表现(通过截面图)。
图6是示出散裂过程中的图5的结构的示图表现(通过截面图)。
图7示出从基底基板的散裂部分上面散裂和去除材料层之后的图
6的结构的示图表现(通过截面图)。
具体实施方式
现在,参照以下的伴随本申请的讨论和附图更详细地描述提供用
于控制散裂过程中的散裂模式断裂的方法的本公开。注意,提供附图
仅出于解释性的目的,并且不按比例绘制附图。并且,图中对于类似
要素的描述使用类似的附图标记。
在以下的描述中,为了解释本公开,阐述诸如特定的结构、成分、
材料、尺寸、处理步骤和技术的大量的特定的细节。但是,本领域技
术人员很容易理解,可以在没有这些细节的情况下或者在具有其它的
特定的细节的情况下实施本公开的各种实施例。在其它的情况下,为
了避免混淆本公开的各种实施例,没有详细描述公知的结构或处理步
骤。
应当理解,当作为层、区域或基板的要素被称为处于另一要素“上”
或“之上”时,它可直接处于另一要素上,或者也可存在介于其间的
要素。相反,当某要素被称为“直接”处于另一要素“上”或“之上”
时,不存在介于其间的要素。还应理解,当某要素被称为与另一要素
“连接”或“耦合”时,它可与另一要素直接连接或耦合,或者可以
存在介于其间的要素。相反,当某要素被称为与另一要素“直接连接”
或“直接耦合”时,不存在介于其间的要素。
首先参照图1,示出可在本公开中使用的具有上(即,最上)表
面12和下(即,最下)表面14的基底基板10。基底基板10还包含
侧壁边缘13。在本公开中使用的基底基板10可包含半导体材料、玻
璃、陶瓷或断裂韧度比要随后形成的应激层的断裂韧度小的任何其它
材料。
断裂韧性是描述包含裂纹的材料抵抗断裂的能力。断裂韧度由
KIC表示。下标Ic表示在与裂纹垂直的正常拉伸应力下张开的模式I
裂纹,并且c意味着它是临界值。由于通常在基板中的模式II应力(剪
切)为零的位置上出现散裂模式断裂,因此,模式I断裂韧度一般是
最重要的值,并且,负载条件一般不存在模式III应力(撕裂)。断
裂韧度是表达材料在存在裂纹时对于脆性断裂的抵抗力的定量方式。
当基底基板10包含半导体材料时,半导体材料可包含但不限于
Si、Ge、SiGe、SiGeC、SiC、Ge合金、GaSb、GaP、GaAs、InAs、
InP和所有其它III-V族或II-VI族化合物半导体。在一些实施例中,
基底基板10是块体半导体材料。在其它的实施例中,基底基板10可
包含诸如例如绝缘体上半导体或聚合基板上半导体的分层半导体材
料。可用作基底基板10的绝缘体上半导体基板的示例性例子包括绝缘
硅片和绝缘体上硅锗。
当基底基板10包含半导体材料时,半导体材料可被掺杂、不被掺
杂或者包含掺杂区域和未掺杂区域。
在一个实施例中,可用作基底基板10的半导体材料可以是单晶
(即,整个样品的晶格一直到样品的边缘都是连续不断的,没有晶界)。
在另一实施例中,可用作基底基板10的半导体材料可以是多晶(即,
由各种尺寸和取向的许多晶体构成的材料;可能由于生长和处理条件,
方向的变化可以是随机的(称为随机织构)或者是定向的)。在本公
开的又一实施例中,可用作基底基板10的半导体材料可以是非晶(即,
缺少晶格的长程有序特性的非晶材料)。一般地,可用作基底基板10
的半导体材料是单晶材料。
当基底基板10包含玻璃时,玻璃可以是可被适当的掺杂剂掺杂或
未被掺杂的基于SiO2的玻璃。可用作基底基板10的基于SiO2的玻璃
的例子包含未掺杂的硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃、氟
硅酸盐玻璃和硼磷硅酸盐玻璃。
当基底基板10包含陶瓷时,陶瓷是任何无机、非金属固体,诸如
例如包含但不限于氧化铝、氧化铍、二氧化铈和氧化锆的氧化物、包
含但不限于碳化物、硼化物、氮化物或硅化物的非氧化物;或包含氧
化物和非氧化物的组合的复合材料。
在本公开的一些实施例中,基底基板10的上表面12可在进一步
的处理之前被清洗,以从中去除表面氧化物和/或其它的污染物。在本
公开的一个实施例中,通过向基底基板10施加诸如例如能够从基底基
板10的上表面12去除污染物和/或表面氧化物的丙酮和异丙醇的溶剂
来清洗基底基板10。
在本公开的一些实施例中,可至少在基底基板10的上表面12上
形成可选的包含金属的粘接层(未示出),该粘接层可选地垂直邻接
基底基板10的侧壁边缘13。在要随后形成的应激层对于基底基板10
的材料具有较差的粘接性的实施例中,可以使用可选的包含金属的粘
接层。一般地,当使用由金属构成的应激层时,使用可选的包含金属
的粘接层。
在后面的图2中,会至少在基底基板10的应激层部分16A与上
表面12之间并可选地在基底基板10的自钉扎应激层部分16B与侧壁
边缘13之间存在可选的包含金属的粘接层。
可在本公开中使用的可选的包含金属的粘接层包含诸如但不限于
Ti/W、Ti、Cr、Ni或它们的任意组合的任何金属粘接材料。可选的
包含金属的粘接层可包含单层,或者它可包括包含至少两个不同金属
粘接材料层的多层结构。
可以在室温(15℃~40℃)或更高的温度下形成可选的包含金属
的粘接层。在一个实施例中,在20℃~180℃的温度下形成可选的包
含金属的粘接层。在另一实施例中,在20℃~60℃的温度下形成可
选的包含金属的粘接层。
可以通过利用对于本领域技术人员来说公知的沉积技术形成可选
的包含金属的粘接层。例如,可通过溅射、化学气相沉积、等离子增
强化学气相沉积、化学溶液沉积、物理气相沉积和电镀形成可选的包
含金属的粘接层。当使用溅射沉积时,溅射沉积处理还可在沉积之前
包含原位溅射清洗处理。
当被使用时,可选的包含金属的粘接层一般具有5nm~200nm的
厚度,其中,100nm~150nm的厚度是更典型的。在本公开中,也可
对于可选的包含金属的粘接层使用处于上述的厚度范围之下和/或之
上的其它厚度。
参照图2,示出形成包含应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B
之后的图1的结构。如所示的那样,应激层的应激层部分16A位于基
底基板10的上表面12上,而自钉扎应激层部分16B可垂直邻接基底
基板10的侧壁边缘13。
根据本公开,在基底基板10的上表面12上面形成的应激层部分
16A具有导致在基底基板10内出现散裂模式断裂的临界厚度和应力
值。“散裂模式断裂”意味着,在基底基板10内形成裂纹,并且负载
力的组合在应激/基板界面下面的某深度下保持裂纹轨迹。临界条件意
味着,对于给定的应激材料和基板材料组合,对于应激层选择使得能
够实现散裂模式断裂的厚度值和应激值(可产生大于基板的KIC的KI
值)。
特别地,选择应激层部分16A的厚度,以提供基底基板10内的
希望的断裂深度。例如,如果应激层部分16A被选择为Ni,那么将在
Ni厚度的约2~3倍的应激层部分16A下面的深度上出现断裂。应激
层部分16A的应力值然后被选择以满足散裂模式断裂的临界条件。可
通过由t*={(2.5×106(KIC3/2))}σ2给出的经验方程的求逆估计该值,这
里,t*是临界应激层厚度(单位为微米),KIC是基底基板10的断裂
韧度(单位为MPa·m1/2),σ是应激层的应力值(单位为Pa或兆帕)。
以上的表达式是指导性的,实际上,可在小于由上式预测的值达20%
的应力或厚度值下出现散裂。
根据本公开,可垂直邻接基底基板10的各侧壁边缘13的自钉扎
应激层部分16B具有亚临界厚度和应力值。根据上式,可通过确保这
些值中的一个或两个小于由上式预测的值的20%,估计亚临界应力和
厚度值。
由于自钉扎应激层部分16B低于导致出现散裂模式断裂所需要的
临界厚度和应力值,因此,自钉扎应激层部分16B保持“钉扎”即固
定于基底基板10的边缘13上。因而,自钉扎应激层部分16B通过应
激材料的强度在基底基板10的上表面12上而向下保持应激层的应激
层部分16A。
在一个实施例中,应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B是整
体的结构并且由同一应激材料构成。在另一实施例中,应激层部分16A
和自钉扎应激层部分16B是可由不同的应激材料构成的单独的部件。
根据本公开,应激层部分16A在从中去耦合自钉扎应激层部分
16B之后处于拉伸应力下,同时在散裂温度下存在于基底基板10上。
可被用作应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B的材
料的解释性的例子包含但不限于金属、诸如引裂带层的聚合物或它们
的任意的组合。应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B可
包含单个应激层,或者,可以使用包含不同的应激材料的至少两个层
的多层应激结构。
在一个实施例中,应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分
16B可均由金属构成。在另一实施例中,应激层的应激层部分16A和
自钉扎应激层部分16B由聚合物构成。在又一实施例中,应激层的应
激层部分16A和自钉扎应激层部分16B由引裂带构成。在另一实施例
中,例如,应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B可包含
包括下部和上部的两部分应激层。两部分应激层的上部可由引裂带层
构成。
当使用金属作为应激层的应激层部分16A和/或自钉扎应激层部
分16B时,金属可包含例如Ni、Ti、Cr、Fe或W。也可使用这些金
属的合金。在一个实施例中,应激层的应激层部分16A和自钉扎应激
层部分16B包含由Ni构成的至少一个层。
当使用聚合物作为应激层的应激层部分16A和/或自钉扎应激层
部分16B时,聚合物是由重复的结构单元构成的大的高分子。这些子
单元一般通过共价化学键连接。可被用作应激层的应激层部分16A和
自钉扎应激层部分16B的聚合物的解释性的例子包含但不限于聚酰亚
胺、聚酯、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯和聚氯乙烯。
当使用引裂带层作为应激层的应激层部分16A和/或自钉扎应激
层部分16B时,引裂带层包含在用于形成带的温度下具有弹性柔软并
且没有应力,而在散裂时使用的温度下具有强度、韧性和抗拉性的任
何压力敏感带。“压力敏感带”意味着,在不需要用于活化的溶剂、
加热或水的情况下通过施加压力粘接的粘接带。散裂温度下的带中的
拉伸应力主要是由于基底基板10(具有较低的热膨胀系数)与带(具
有较高的热膨胀系数)之间的热膨胀不匹配。
一般地,在本公开中被用作应激层的应激层部分16A和/或自钉扎
应激层部分16B的压力敏感带至少包含粘接层和基层。用于压力敏感
带的粘接层和基层的材料包含具有或不具有适当的增塑剂的诸如例如
丙烯酸树脂、聚酯、烯烃和乙烯树脂的聚合材料。增塑剂是可增加添
加它们的聚合材料的塑性的添加剂。
在一个实施例中,在处于室温(15℃~40℃)的温度下形成在本
公开中使用的应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B。在
另一实施例中,当使用带层时,可在15℃~60℃的温度下形成带层。
当应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B由金属或聚
合物构成时,可通过利用包括例如浸渍涂敷、旋涂、抹涂、溅射、化
学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、化学溶液沉积、物理气相沉
积和电镀的本领域技术人员公知的沉积技术形成应激层的应激层部分
16A和自钉扎应激层部分16B。
当应激层的应激层部分16A和自钉扎应激层部分16B由引裂带层
构成时,可通过手或通过机械手段向结构施加带层。可通过利用本领
域公知的技术形成引裂带,或者,可在商业上从任何公知的粘接带制
造商购买引裂带。可在本公开中被用作应激层的引裂带的一些例子包
括例如Nitto Denko 3193MS热释放带、Kapton KPT-1和Diversified
Biotech的CLEAR-170(丙烯酸粘接剂、乙烯基)。
在一个实施例中,可在基底基板10的上表面12和侧壁边缘13
上形成二部分应激层,其中,在处于室温或稍高的第一温度下形成二
部分应激层的下部分,其中,二部分应激层的上部包含在作为室温的
辅助温度下形成的引裂带层。
如果应激层部分16A具有金属性质,那么它一般具有3μm~50μm
的厚度,其中,4μm~8μm的厚度是更典型的。也可在本公开中使用
低于和/或高于上述的厚度范围的金属应激层部分的其它厚度。如果自
钉扎应激层部分16B是金属,那么它一般具有低于应激层部分16A的
厚度的厚度。
如果应激层部分16A具有聚合性质,那么它一般具有10μm~
200μm的厚度,其中,50μm~100μm的厚度是更典型的。也可在本
公开中使用低于和/或高于上述的厚度范围的聚合应激层部分的其它
厚度。如果自钉扎应激层部分16B是聚合物,那么它一般具有低于应
激层部分16A的厚度的厚度。
参照图3,示出在应激层的应激层部分16A上形成可选的操作基
板18之后的图2的结构。在本公开中使用的可选的操作基板18包含
具有小于30cm的最小曲率半径的任何柔性材料。可用作可选的操作
基板18的柔性材料的解释性的例子包含金属箔或聚酰亚胺箔。可被用
作可选的操作基板18的柔性材料的其它例子包含聚合物、带和旋涂式
(spin-on)材料。
可选的操作基板18可被用于在操作基底基板10的散裂部分时提
供更好的断裂控制和更多的多样性。并且,可选的操作基板18可被用
于在本公开的散裂过程中引导裂纹扩展。一般但未必在室温(15℃~
40℃)下形成本公开的可选的操作基板18。
可通过利用包括例如浸渍涂敷、旋涂、抹涂、溅射、化学气相沉
积、等离子增强化学气相沉积、化学溶液沉积、物理气相沉积和电镀
的本领域技术人员公知的沉积技术形成可选的操作基板18。
可选的操作基板18一般具有1μm到几mm的厚度,其中,70μm~
120μm的厚度是更典型的。在本公开中,也可使用低于和/或高于上述
的厚度范围的可选的操作基板18的其它厚度。
参照图4,示出在将散裂抑制体20施加到可选的操作基板18上
并将可选的支撑板22施加到基底基板10的最底面14之后的图3的结
构。
散裂抑制体20是当从应激层的应激层部分16A去耦合应激层的
自钉扎应激层部分16B时抑制自发散裂的任何材料。即,散裂抑制体
20抑制基底基板10的机械散裂。在本公开的一个实施例中,散裂抑
制体20是金属板、半导体晶片或玻璃。在另一实施例中,散裂抑制体
20可以是接触从应激层的应激层部分16A去耦合应激层的自钉扎应
激层部分16B的瞬间区域的辊。在后一实施例中,当辊跨着表面平移
时动态地出现去耦合。
可在本公开中使用的可选的支撑板22可包含上面对于散裂抑制
体20提到的材料中的任一种。在另一实施例中,可选的支撑板22可
由磁性材料构成。
在一些实施例中,可选的支撑板22和散裂抑制体20是用于在从
应激层的应激层部分16A去耦合应激层的自钉扎应激层部分16B时将
该应激层部分16A保持在适当的位置的散裂抑制体器件,例如两件夹
具的要素。
在一个实施例中,可在本公开中使用的散裂抑制体20具有50μm
到几厘米的厚度。在另一实施例中,可在本公开中使用的散裂抑制体
20具有100um~1mm的厚度。
在一个实施例中,可在本公开中使用的可选的支撑板22具有
50μm到几厘米的厚度。在另一实施例中,可在本公开中使用的可选
的支撑板22具有500um~5mm的厚度。
可通过手或通过任何适当的机械手段向图3所示的结构施加散裂
抑制体20和可选的支撑板22。
参照图5,示出从应激层部分16A释放应激层的自钉扎应激层部
分16B之后的图4的结构。如图5所示,在应激层部分16A和剩余的
自钉扎应激层部分16B之间形成间隙24。
在本公开的一个实施例中,可通过使用诸如例如Q开关二极管泵
浦固态激光器的激光器进行应激层的自钉扎应激层部分16B从应激层
部分16A的释放。在本公开的另一实施例中,可通过使用诸如例如硝
酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)或其它酸及其混合物的
化学蚀刻进行应激层的自钉扎应激层部分16B从应激层部分16A的释
放。在本公开的另一实施例中,可通过使用磨削或抛光进行应激层的
自钉扎应激层部分16B从应激层部分16A的释放。
参照图6,示出散裂中的图5的结构。特别地,图6示出散裂抑
制体20从结构的位移中的结构。如所示的那样,以在基底基板10内
的一个区域中启动裂纹形成和裂纹扩展的方式跨着结构的表面移动散
裂抑制体20。在形成间隙之后以及在散裂抑制体20的位移中,由于
通过应激层部分16A在基底基板10内引起的应变,因此,散裂在基
底基板10内启动。
在一个实施例中,可通过手执行散裂抑制体20从结构的位移。在
本公开的另一实施例中,可通过机械手段执行散裂抑制体20跨着结构
的位移。
可在室温下或在低于室温的温度下启动图6所示的散裂处理。在
一个实施例中,在室温(例如,20℃~40℃)下执行散裂。在另一实
施例中,在低于20℃的温度下执行散裂。在另一实施例中,在77K
或更低的温度下出现散裂。在又一实施例中,在低于206K的温度下
出现散裂。在又一实施例中,在175K~130K的温度下出现散裂。
当使用低于室温的温度时,可通过用任何冷却手段使结构冷却为
低于室温,实现低于室温的散裂处理。例如,可通过将结构放置在液
氮浴、液氦浴、冰浴、干冰浴、超临界流体浴或任何低温环境液体或
气体中,实现冷却。
当在低于室温的温度下执行散裂时,允许散裂结构缓慢冷却到室
温以及通过允许散裂结构停留在室温下,使散裂结构返回到室温。作
为替代方案,散裂结构可通过利用任何加热手段被加热到室温。
参照图7,示出从基底基板的散裂部分10′散裂和去除应激层部分
16A、可选的操作基板18以及存在的情况下的可选的包含金属的粘接
层之后的图6的结构。可通过利用本领域技术人员公知的常规技术从
基底基板的散裂部分10′去除可选的操作基板18和应激层部分16A以
及可选的包含金属的粘接层。例如,并且,在一个实施例中,王水
(HNO3/HCl)可用于从基底基板的散裂部分10′去除可选的操作基板
18、应激层部分16A和可选的包含金属的粘接层。在另一例子中,使
用UV或热处理以去除可选的操作基板18,然后通过化学蚀刻去除应
激层部分16B,然后通过不同的化学蚀刻去除可选的包含金属的粘接
层。可使用类似的方法以从位于基底基板10的散裂部分10′下面的剩
余基底基板的侧壁去除自钉扎应激层部分16B的剩余部分。
图7所示的基底基板的散裂部分10′的厚度根据应激层部分16A
的材料和基底基板10自身的材料改变。在一个实施例中,基底基板的
散裂部分10′具有小于100微米的厚度。在另一实施例中,基底基板的
散裂部分10′具有小于50微米的厚度。
虽然关于其优选实施例特别表示和描述了本公开,但是本领域技
术人员很容易理解,可在不背离本公开的精神和范围的情况下提出形
式和细节的以上和其它的变化。因此,意图是,本公开不限于确切的
形式以及描述和示出的细节,但落入所附的权利要求的范围内。