CN102754199A - 用于薄晶片处理的可移动真空载具 - Google Patents

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Abstract

本发明提出可移动真空载具，该可移动真空载具可以用来支撑薄衬底，否则这些薄衬底因太易碎而不能传送和处理。本发明涉及薄半导体衬底的处理，并尤其具有在光伏太阳能电池、半导体微电子集成电路、微电子机械系统（MEMS）、光电器件（如发光二极管、激光器、光检测器）、数据存储器件等领域中的可应用性。

Description

用于薄晶片处理的可移动真空载具
相关申请的交叉引用
本申请要求序号为61/286,638的美国临时专利申请的优先权，其通过引用在此整体并入。
技术领域
一般而言本发明涉及处理超薄衬底的领域。更具体地，涉及具有处于大约1微米到100微米的范围内的厚度的半导体衬底的处理，尽管其还可适用于比1微米更薄且比100微米更厚的衬底。在其它方面，这些衬底可以用于光伏太阳能电池、半导体微电子集成电路、微电子机械系统（MEMS）、光电器件（如发光二极管、激光器、光检测器）、数据存储器件等。更具体地，本发明涉及用于临时固定、支撑、加工、传送、存储以及处理超薄衬底的可移动和可传送真空（或低压夹紧的）载具的装置、制造和应用方法以及系统。这些设备可以应用于单晶片和批量处理系统两者。这种可移动真空载具（MVC）允许支撑、加工传送、处理等，同时可大幅减少由于衬底损坏造成的成品率损失。
背景技术
其中，薄半导体衬底在高性能半导体微电子、片上系统（SOC）、绝缘体上硅（SOI）、MEMS、动力电子设备、柔性IC、光伏电池和光电子应用中非常有利。
当厚度减小，尤其减小到比150微米小得多时，半导体晶片（如单晶硅晶片）由于应力和微裂趋于脆弱并易于破裂。另外，由于机械刚度减小的薄晶片，该半导体晶片变为软，并表现得更像柔性的薄箔。结果是，当在被设计为处理常规厚度的晶片的正常半导体微电子或光伏处理设备中进行加工和处理时，其将是困难的且存在问题的。
为了使用现有市场上可买到的用于薄晶片或超薄晶片加工和处理的晶片处理设备，在载具板上支撑薄晶片的各种方法已经得到了发展。薄晶片与载具的结合可以做成临时的或永久的。临时的结合（bonding）和分离（debonding）方法包括使用可移动静电夹头和粘合膜。这种技术通常在使用这种超薄衬底的半导体器件的总制造成本基础上又增加了大量成本。诸如使用边缘持紧、贝努利（Bernoulli）效应以及超声效果等的其它相关的薄晶片加工方法也已得到了发展。然而，这些技术通常遇到与高温处理和/或腐蚀环境（如腐蚀性湿法化学）中的处理的不相容性。
晶体（包括单晶和多晶两者）硅（c-Si）晶片在硅基光伏电池市场也得到了广泛的使用，这主要由于更高的效率及与已建立的微电子工业和供应链的协同效应。主流c-Si晶片太阳能电池工业中的趋势是在尺寸上将晶片减小为厚度低于200微米（以减少每瓦太阳能电池额定峰值功率的硅材料的量（以克为单位），因而减少太阳能光伏功率模块的总制造成本）。例如，领先的单晶硅晶片太阳能电池预计到2012年将从140微米至200微米的当前晶片厚度缩减为120微米的厚度。使用小于100微米的c-Si薄片制作高效率太阳能电池的技术也已得到了发展。另外，制作用于构建集成光伏（BIPV）产品的部分透明的c-Si太阳能电池会需要薄衬底。薄c-Si太阳能电池通常比任何其它单独的薄半导体或MEMS器件（芯片）大得多：典型地太阳能电池为200-500cm2而半导体微电子和MEMS（芯片）为1cm2至几cm2（或更小的）。典型的硅太阳能电池大小为210mmx210mm、156mmx156mm以及125mmx125mm的正方形（或近似正方形）。
在利用或不利用可移动薄晶片载具的情况下，使用已知方法加工和处理薄c-Si太阳能电池衬底的一些挑战为：通过加工/处理应力引发的破损（机械产量损失）；冲击和存在的微裂缝；尤其在衬底边缘；大部分当前太阳能电池设备只能够加工厚于大约120微米的衬底的事实；太阳能电池制造的更高的生产量和更低的成本需求（与微电子、光电子以及MEMS相比），这使得许多现有薄衬底加工方法难以应用于或因太昂贵而不能应用于太阳能电池制造；以及高温（>300°C）工艺需求，这使得一些薄晶片加工方法难以应用于太阳能电池制造。例如，热氧化和扩散/退火工艺通常在大约850°C至1100°C来完成，而已知的可移动薄晶片载具可能不能在高温环境中使用。在使用可移动薄晶片载具的情况下，不仅载具结构材料经受高温，而且必需小心处理薄晶片与载具之间的热膨胀失配。更具体地说，必需确保在支撑载具与被处理的半导体衬底之间无明显的热膨胀系数（TCE）失配。
薄晶片（类似于具有常规厚度的晶片）需要在用于蚀刻、沉积、涂布、电镀等干法和/或湿法化学环境中进行处理。因此，如果使用可移动薄晶片载具，那么如果载具的结构材料和所使用的粘合剂是惰性且与湿法或干法化学处理环境相容（或高度抗腐蚀或刻蚀）的话较为有利。为了大大减少对制造成本影响，这种可移动薄晶片载具应当对于许多衬底可重复使用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供解决已知载具的一些或全部上述问题的可移动薄晶片载具。
本发明提供了支撑、加工、传送、存储以及处理薄且易碎的、用于制作低成本光伏太阳能电池的半导体晶片的装置、制造方法以及应用方法。然而，本发明中的方法、装置以及器件还可在在包括半导体微电子芯片、片上系统（SOC）、MEMS器件、离散器件、动力电子设备、柔性IC、数据存储器件、光电器件（例如LED，激光器，光检测器）以及使用单片集成制造技术的其它高科技产品的其它应用场合中得到广泛应用。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细说明，本发明的特征、本质以及优点将变得更加明显，附图中类似的附图标记表示类似的特征，其中：
图1示出本发明的单晶片MVC和真空结合的薄晶片的截面示意图；
图2A和图2B示出单面MVC托盘和多面MVC托盘及多个真空结合的薄晶片的截面示意图；
图3示出MVC的顶视SEM照片；
图4A和图4B示出顶视SEM照片及另一个MVC的截面示意图；
图5A和图5B示出顶视SEM照片及另一个MVC的截面示意图，所述MVC通过适当的对准允许对不平坦的薄晶片进行加工；
图6A和图6B示出顶视SEM照片及另一个MVC的截面示意图；
图7显示一种类型的MVC的制造步骤的流程图和截面示意图；
图8显示另一种类型的MVC的制造步骤的流程图和截面示意图；
图9A至图9D示出本发明的装置以及使用该装置使薄晶片与MVC真空结合的顺序；
图10A至图10D示出本发明的装置以及使用该装置使薄晶片与MVC分离/分开的顺序；
图11A至图11E示出本发明的另一种装置以及使用该装置使薄晶片与MVC真空结合的顺序；
图12A至图12D示出本发明的另一种装置以及使用该装置使薄晶片从MVC分离/分开的顺序，并且所述附图包括关键步骤之后的截面示意图；
图13A至图13C示出本发明的另一种装置以及使用该装置使多个薄晶片与MVC托盘真空结合的顺序；
图14A至图14D示出本发明的另一种装置以及使用该装置使多个薄晶片从MVC托盘分离/分开的顺序；
图15示出太阳能电池的截面示意图；以及
图16示出MVC在半导体微电子集成电路中的应用。
具体实施方式
虽然参考特定实施例描述本发明，然而所属领域技术人员可将本文讨论的原理应用于其它领域和/或实施例，而无需进行过度的实验。
根据本发明，MVC用作为十分划算且可靠的机械支撑，该机械支撑用于薄晶片/衬底的临时加工和处理。这种载具能够用来支撑在高温、潮湿、等离子体、低压以及许多其它工艺条件下处理的晶片。高密度阵列式微型空腔可以应用在MVC表面上，作为分布式真空夹子/吸盘，以通过一序列的抽真空和通气（venting）工艺临时结合薄晶片。
通过位于载具表面上的容错、分布式以及高密度的（即在一些实施例中，为成百至数千）微型真空空腔而使载具与薄晶片的结合成为可能。当微型真空空腔中的空气被部分或基本上排空时，以真空（或减压的）腔室来实现薄晶片与其支撑载具的结合（或附着）。在使薄晶片与载具顶表面接触之后，微型真空空腔由放置在载具上的薄衬底进行封闭。然后，当腔室被通气时而形成压力差，并当薄晶片和载具被移至压力比初始结合压力高的大气压或大气环境中时，该压力差使薄晶片与载具结合在一起。在一系列晶片加工、传送和/或处理步骤或这些步骤之一后，通过将该结合体放置在真空腔室中、从真空腔室排空空气以及在真空腔室中将衬底从载具分开，薄晶片能够容易地从MVC分开或分离。MVC可以在许多再利用循环中反复地用于加工和处理其它薄晶片。
本发明的MVC可以由许多不同的结构材料制成，包括半导体、陶瓷、金属、绝缘体以及聚合物衬底，但不限于上述各项。
可以通过利用图案化掩蔽层的化学蚀刻、利用化学蚀刻的随机纹理（texturing）、等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、激光钻孔（激光烧蚀或激光辅助化学蚀刻）、离子束研磨（或离子束蚀刻）、机械钻孔、热压成形、冲压、简单地使用多孔表面的注射成形或其它已知方法来制成位于载具表面上的微真空空腔。在可选配置中，在微型真空空腔阵列的边缘区域上可以加工/制造薄的机械防护结构，以用作没有限定范围的薄晶片在MVC上定位的位置约束。抗腐蚀的（和/或抗蚀刻的和/或抗粘合的）表面涂布层还可以用来提供以下功能的一个或多个：软质、柔性或适配（compliant）层，为了更好的真空密封，例如薄的聚合物；耐磨层，例如LPCVD氮化硅、氧化铝、铁弗龙等；化学惰性涂布，防止载具在薄晶片工艺期间被化学蚀刻，例如LPCVD氮化硅、铁弗龙等；润滑层，为了更容易的分离/释放，例如薄的铁弗龙（或另一种合适的聚合物）层。
具有异面微结构的预结构化的或预处理的薄晶片在真空结合期间可以通过精确的对准被临时结合到支撑MVC上。
MVC可以是大约相同的尺寸或微大于待结合的薄晶片（在后一种情况下，是为了保护薄衬底边缘）；然而，该MVC可以更厚且更坚硬。MVC可以是单晶片载具。可替代地，MVC还可以呈允许批量或混合批量的多个晶片承载/流水线制造工艺的托盘形式。此外，本发明的MVC可呈输送机形式，在该输送机上一连串的薄晶片被连续加工和处理。
本发明提供使用MVC来临时支撑、加工、传递的、基于薄硅晶片的太阳能电池，以及电池处理应用。
此外，规则或随机制成的微型真空空腔还可以被设计为有助于形成光阱以在太阳能电池正面上减少反射光损耗，而不会增加硅正面面积。结果是，这可以提供得以提高的整体电池效率。
本发明的MVCs的一些优点包括：使用简单（既能可靠地夹紧又能松开）；制作简单，通过使用各种载具材料（与半导体器件衬底相同的材料或异种材料）；与薄衬底高温相容（MVC可以由与薄晶片相同的材料制成，使得在高温工艺期间完全避免热失配且保持夹紧力）；允许导体、绝缘体或半导体结构和表面材料的临时结合；允许与具有异面微结构的预结构化的或预处理的薄晶片的对准结合；与已知的可移动薄晶片载具相比，具有低制造成本；对于临时MVC应用，在多次再利用循环情况的摊余成本非常低；灵活的MVC设计（可是单晶片载具、多个晶片载具托盘或允许流水线薄晶片工艺的连续晶片输送机等）。
图1示出单晶片MVC100和真空结合的薄晶片102的截面示意图。MVC100的顶侧由分布式的多个真空空腔104组成，该多个真空空腔104用来通过排除周围空气压力105而将薄晶片临时真空结合（或夹紧）到MVC100的表面（顶表面或底表面）上。在一些实施例中，采用了许多微型空腔，其数量为数千至一万，孔径和/或深度的范围为大约一微米至几十微米。在每一个或多个使用循环之后，在适当的清洗和修整之后（如必要的话），MVC100可以在许多循环中再使用。MVC100可以用于在其顶侧或底侧上结合薄晶片。MVC100还可以用来将晶片102从在一侧被结合转变为在另一侧被结合，以允许处理晶片102的两侧。制作空腔104的方法包括利用图案化的掩蔽层的化学蚀刻、激光烧蚀（或激光蚀刻）、EDM、研磨、喷砂、冲压、热压成形以及利用非平面表面的研磨，但不限于上述各项。空腔大小（孔开口）可以处于1微米至大如1毫米的范围，并且其深度可以处于大致相同的范围。这些尺寸（尤其孔尺寸）与晶片102的厚度差不多大时较为有利（为了避免晶片102的局部变形）。
可以在MVC100的顶部（顶部涂层106）或底部（底部涂层108）或两者上采用可选的薄表面涂层。顶涂106可以被共形地（conformally）沉积/涂布在空腔104表面上。在一些实施例中，表面涂层106和108可以是：软质、柔性或适配层，以更好的真空密封，例如薄的聚合物；耐磨层，例如LPCVD氮化硅、氧化铝、铁弗龙等；化学惰性或抗蚀刻涂布，防止载具在薄晶片工艺期间被化学蚀刻，例如LPCVD氮化硅、铁弗龙等；或润滑层，以更容易的分离/释放，例如薄的铁弗龙层等。
为了使密封的真空微空腔的顶部上的薄晶片的局部变形/弯曲最小化，微型空腔大小可以小一些。可替代地（或以结合方式），真空空腔的深度可以浅一些，使得当薄晶片底表面与微空腔底表面接触时在真空下最大薄晶片局部变形受到限制。例如，对于5微米的微型空腔深度，薄晶片的最大局部变形也是5微米（对于大的微空腔孔径）。
应当注意，术语“低压”、“压力减小的”以及“真空”在本发明中是相对的。只要薄晶片存在压力差，则该薄晶片将被牢固地夹紧且支撑在MVC上。例如，对于760托大气压，密封在微型真空空腔中的任何小于760托的压力在环境温度中将产生上述效果。然而，如果涉及高温工艺，则升高的处理温度导致密封的真空微空腔中的压力增加需要被考虑在内，在该情况下，需要降低空腔中的初始密封压力。
图2A和图2B分别示出单面MVC托盘110和多面MVC托盘112连同处于周围空气压力环境115中的多个真空结合的薄晶片114的截面示意图。这些图中的MVC托盘可以可选地具有表面涂布及所描述的与图1有关的其它特征，并且还允许多个晶片的批量处理。另外，如图2B所示，为了更高的产量和更有效率的薄晶片工艺，可以在托盘的两侧上制作空腔结构116。这种情况下，MVC托盘112在批量处理期间可以从其外围得到支撑，使得晶片或其两侧可以暴露于工艺环境。为了使附图简单起见，在图中未示出MVC托盘112的外围支撑结构。作为另一种选择，空腔116还可以在MVC托盘112上被简单地制成一系列的通孔（through-hole），从而简化创建空腔的工艺。
图3示出MVC118的顶视SEM照片。MVC118在结构上与图1的MVC100类似。MVC118由单晶硅晶片（100）制成。利用图案化的掩蔽层（氧化物），棱锥型微型空腔120在加热的KOH溶液中被选择性地结晶蚀刻。微型空腔可能具有或可能不具有相同的大小和深度，并且这些微型空腔的格式可在照像掩模布局和蚀刻工艺控制中便利地进行设计。如本实施例所示，空腔120是棱锥型形状，并且全部具有大致相同的尺寸。
图4A和图4B分别示出处于周围空气压力环境123中的MVC122的顶视SEM照片和截面示意图。
MVC122也由单晶硅晶片（100）制成。利用图案化的掩蔽层（氧化物），棱锥型微型空腔在加热的KOH溶液中被蚀刻。微型空腔124被制作得更大但更浅，并且其脊126比图3所示的MVC窄。MVC122还包括较小的空腔125，散置在较大的空腔124之间。空腔的这种排列方式允许与具有对应结构的晶片的对准结合。相对较浅的微型空腔的使用允许当真空结合时薄晶片的有限的局部变形/挠度。局部变形/挠度被空腔124和125的较浅的深度所限制。相对较大的空腔开口和相对较窄的顶脊减少了顶接触面面积；结果是，分离/分开/松开工艺趋于更容易且更加可靠。
图5A和图5B示出处于周围空气压力环境129中的MVC128的顶视SEM照片和截面示意图。这种类型的MVC允许以适当的对准加工不平坦的薄晶片。该图所示的MVC也由单晶硅晶片（100）制成。利用图案化的掩蔽层（氧化物），棱锥型微型空腔在加热的KOH溶液中被蚀刻。该图中的MVC由包围大的且更深的空腔132的小空腔130的阵列组成。在本实施例中，一些空腔132是棱锥型，一些是截顶棱锥型。这种类型的MVC允许具有不平坦的结合表面的预结构化的薄晶片134的结合。利用结合装置中的适当的对准，薄晶片134上的异面特征被定位在较大的空腔132中，使得晶片与MVC适当地对准。
图6A和图6B示出处于周围空气压力环境137中的MVC136的顶视SEM照片和截面示意图。MVC136也由硅晶片制成。空腔138通过深反应离子蚀刻（DRIE）进行蚀刻，例如使用通过使用图案化的光致抗蚀剂掩蔽层的博世（Bosch）工艺等。如该图所示，微型空腔是蜂巢状六角形形状。利用这种制造方法，能够制作任何理想的横向图案/形状。空腔形状不限于如先前图所示的正方棱锥型形状。DRIE工艺能够用来制作具有基本上垂直的薄壁的高宽深比的深空腔。可替代地，正常等离子体硅蚀刻也能够用来制作具有非垂直的侧壁的各种形状的空腔。
图7示出在制作一种类型的MVC的关键制造步骤和这些步骤之后的截面示意图。如图所示，在所表明的制造步骤已被完成之后，这些示意图对应于进度中的MVC。
在步骤140，制造工艺从具有抛光或非抛光的表面的单晶（100）硅晶片开始。晶片形状可是圆形、具有截角或圆角的正方形、矩形、八角形、六角形或任何其它感兴趣的几何形状。MVC晶片大小可以典型地处于100mm至300mm的范围（尤其对于批量托盘，其尺寸甚至更大），而厚度处于0.5mm至几mm的范围。第一制造工艺包括：在步骤142中，在晶片表面上形成硬掩蔽层，例如热生长的二氧化硅（S102）或LPCVD氮化硅（SiNx）。在一个实施例中，硬掩模层形成在所有的晶片所暴露的表面上，在另一个实施例中，硬掩蔽层仅形成在待制作图案化的晶片正面。该硬掩蔽层厚度典型地处于0.1微米和几微米之间，在一些实施例中，处于0.1微米和1.5微米之间。
在步骤144中，至少两个可能的实施例可以用来对硬掩蔽层进行图案化。在一个实施例中，通过包括旋涂（或喷涂）、烘烤、对准曝光以及显影的光刻步骤在硬掩模层的顶部生成光致抗蚀剂图案。在另一个实施例中，为了减少制造成本，具有给定图案的软掩模层被丝网印刷到硬掩模层的顶部。在两个实施例中，优选地图案与晶片（100）方向对准。在下一个步骤中，所暴露的硬掩模层被化学蚀刻。例如，该光致抗蚀剂图案通过利用缓冲HF溶液蚀刻所暴露的氧化物而转化为氧化层。该氧化物蚀刻步骤在一些实施例中可以使用用于保护晶片边缘和背面以免被蚀刻的机械夹具。可替代地，可以这样一种设置来进行该蚀刻工艺，以使仅晶片正面暴露于硬掩模蚀刻化学品中。在那之后，通过等离子体灰化或湿光致抗蚀剂去除来去除其余的光致抗蚀剂层。图案化的二氧化硅层在各向异性硅蚀刻期间用作硬掩模层。
在步骤146中，各向异性硅蚀刻（如KOH、NaOH或TMAH溶液）用来蚀刻所暴露的硅区域。晶体硅的各向异性湿蚀刻是用于硅微加工的关键技术之一。由于硅的特定晶体平面的不同化学反应性，因而各向异性蚀刻剂沿一个方向比沿另一个方向蚀刻得快得多，随着时间推移而暴露最慢的蚀刻晶体平面。例如，当利用图案化的硬掩模（尤其定向）蚀刻硅晶片（100）时，相对于其它平面的蚀刻率，各向异性蚀刻在硅的平面（111）处显著减慢。结果是，该蚀刻展现出平坦的表面和清晰的角度。使用各向异性湿硅蚀刻（如KOH）的关键优点之一是在硅蚀刻中的可重复性和均匀性，同时保持低生产成本。另外，当KOH蚀刻抵达晶体平面（111）时，以基本上较慢的蚀刻率来蚀刻平面（111）。结果是，以比其它硅蚀刻方法（如DRIE硅干刻蚀）宽得多的工艺控制窗口和低得多的成本，该制造蚀刻工艺便于控制。在晶片边缘和背侧表面也覆盖有硬掩模层的实施例中，晶片可以在批量硅蚀刻溶液中被蚀刻。然而，在晶片边缘或背侧被暴露而无硬掩模层的实施例中，晶片可以这样的设置被蚀刻，以使仅晶片的前侧暴露于硅蚀刻溶液中。在硅蚀刻之后，在步骤148，通过化学蚀刻（如在用于氧化物去除的HF溶液中）去除其余的硬掩模层。接下来，经蚀刻的硅晶片可以在标准晶片清洗工艺（如RCA1和RCA2清洗）中被清洗。
在步骤150，LPCVD氮化硅层被沉积在硅MVC的正面和背面两者上。该层在一些实施例中处于0.1微米至几微米的范围，而在另一些实施例中，处于0.1微米至3微米的范围。
图8示出在制作另一种类型的MVC的关键制造步骤和这些步骤之后的截面示意图。
如图所示，在步骤152开始，该MVC也由硅晶片制成。在步骤154，通过包括旋涂（或喷涂）、烘烤、对准曝光以及显影的光刻步骤在硅表面的顶部生成光致抗蚀剂图案。
在步骤156，通过使用图案化的光致抗蚀剂掩蔽层，通过使用博世工艺的深反应离子蚀刻（DRIE）来蚀刻空腔。可以使用任何形状，但本实施例展示了六角形空腔，如图6A和图6B所示。利用这种制造方法，能够制作任何其它的横向图案/形状。DRIE工艺能够用来制作具有垂直薄壁的高宽深比的深空腔。可替代地，正常等离子体硅蚀刻能够用来制作具有非垂直侧壁的各种形状的空腔。
在步骤158，去除剩余的光致抗蚀剂掩蔽层。在清洗这些表面之后，在步骤160，可选的LPCVD氮化硅层然后被涂布在所制造的硅MVC的顶表面和底表面两者上。
不使用光刻的其它方法也可以用来制造MVC。例如，可以使用直写式（direct-write）激光烧蚀以形成微型空腔的阵列，紧随的是清洗和随后的保护性的LPCVD氮化硅沉积，以制造MVC。
图7和图8描述了用于制作硅MVC的制造工艺。诸如金属、陶瓷以及聚合物等其它材料也能够用作MVC结构材料。相应的微空腔制作方法可以包括直接激光烧蚀、微EDM、微研磨、控制的研磨、喷砂、热压成形、冲压以及注射成形，但不限于上述各项。
图9A至图9D示出本发明的装置以及使用该装置在周围空气压力环境161中使薄晶片与MVC真空结合的顺序。薄晶片162和MVC164被真空夹紧/夹持到两个单独的板上。真空夹板（vacuum chucking plate）具有用于真空夹持晶片的正常表面槽、沟道、端口以及阀，但也包括晶片覆盖区外侧的用于对形成在顶部夹板和底部夹板之间的腔室进行抽气和通气的端口和阀。如图9A所示，晶片162和MVC164利用位于其之间的真空密封机构（如O型环166）而面对面布置。在装配了该夹具配置之后，形成用于抽空对准的薄晶片与MVC之间的空气的封闭的小腔室。应当注意，顶部真空夹板和底部真空夹板可以被制作得相同，使得其可以在多个夹接和去夹接制造循环方便地进行互换。该封闭的腔室然后被抽气，以降低压力。通过顶板或底板上的侧真空端口和阀进行抽气，如通过顶部真空板中的端口168所示。进行抽气的腔室的压力由泵和压力计（其在附图中未示出）来进行监控和控制。一旦达到可以类似于或低于薄晶片和MVC夹持真空压力的特定压力，则该阀被关闭，并且该腔室被密封。如图9B所示，在抽气之后或在抽气期间，晶片162从顶部真空板被释放，并放置在MVC164的密封表面的顶部。可通过以下效果中的一个或全部引发薄晶片的释放：一旦腔室压力低于薄晶片和顶板真空夹持压力，则薄晶片由于压力差被迫下降；薄晶片的重量能够帮助薄晶片从顶部真空夹板上分离；当达到低腔室压力时，薄晶片的可选的加热或超声振动能够通过顶部真空夹板帮助薄晶片从顶部夹板上分离。在下一个步骤，如图9C所示，该空腔腔室可以通过顶部夹板的中心的端口170来通气（vented）。中心通气的这种方法可以在薄晶片由于内部机械应力和表面粗糙度/该密封表面的颗粒而造成不平坦时有所帮助。从中心端口的空气的流入将迫使薄晶片的初始真空结合从中心向边缘进行。一旦该空腔腔室被完全地注满（vented），则薄晶片也完全地真空结合到MVC表面上。在下一个步骤，如图9D所示，将夹具脱离，并且现已结合的MVC164从底部真空夹板上去夹持。该结合的薄晶片162然后就可以进行随后的制造工艺并加工。
图10A至图10D示出薄晶片在周围空气压力环境171中从MVC分离/分开/松开的实施例。
如图10A所示，结合在一起的晶片172和MVC174被真空夹持到顶板176上，然后被装配在底部真空夹板的顶部或简单地到一个平坦的表面上，而真空密封机构位于其间，以形成用于分离工艺的封闭的空腔腔室。应当注意，软底座178被放置在底板上以当薄晶片分离且坠落在底板上时确保MVC并将MVC从薄晶片物理性地分离。如图10B所示，该空腔腔室通过顶部夹板或底部夹板上的侧端口/阀之一来抽气。当达到足够低的压力时，如图I0C所示，薄晶片能够通过以下效应的一个或全部被释放：一旦空腔腔室压力低于微真空空腔压力，则薄晶片由于压力差而被迫下降；薄晶片的重量能够帮助薄晶片从MVC上分离；当达到低的空腔腔室压力时，薄晶片的可选的加热或超声振动能够通过顶部真空夹板帮助薄晶片从顶部夹板上分离。如图I0C所示，分离的薄晶片与MVC之间的空腔腔室和空间通过顶部夹板或底部夹板上的侧端口/阀的一个来抽气。分离的薄晶片和MVC然后被分别真空夹持到顶部夹板和底部夹板上。夹具脱离，然后薄晶片被送往下一个处理步骤。
图11A至图11E示出本发明的另一种装置以及使用该装置在周围空气压力环境161中使薄晶片与MVC真空结合的顺序。薄晶片182和MVC180被分别静电夹持到两个板上。静电夹持板或是可移动的或连接至其各自的电源。而且，在晶片覆盖区外侧的静电夹持板上具有用于对形成在两个夹持板之间的空腔腔室进行抽气和注气的端口和阀。如图11A所示，薄晶片182和MVC180然后利用位于其之间的真空密封机构（如O型环166）而面对面布置。在装配了该夹具配置之后，形成用于抽空对准的薄晶片与MVC之间的空气的封闭的小空腔腔室。应当注意，顶部夹板和底部夹板可以被制作得相同，使得在多个夹持和去夹持制造循环中进行方便地互换。图11B示出对准且分离的薄晶片182与MVC180之间的封闭的空腔腔室和空间进行的抽气。可以通过顶板或底板上的侧真空端口和阀进行抽气。进行抽气的空腔腔室的压力由泵和压力计（其在附图中未示出）来监控和控制。一旦达到特定的真空低压，则该阀被闭合，并且该空腔腔室被密封。如图11C所示，在抽气之后，薄晶片从顶部静电板上被释放，并且被放置在MVC密封表面的顶部。在关闭静电夹持电压之后，可通过以下效应中的一个或多个来引发薄晶片的释放：一旦该空腔腔室压力低于薄晶片与顶部静电夹持板之间的气泡（airpockets）的压力，则薄晶片由于压力差被迫下降；薄晶片的重量能够帮助薄晶片从顶部静电夹持板上分离；当达到低空腔腔室压力时，薄晶片的可选的加热或超声振动能够通过顶部静电夹持板帮助薄晶片从顶部夹板上分离。在下一个步骤，如图11D所示，该空腔腔室可通过顶部夹板的中心的端口/阀来注气。中心注气的这种方法将在薄晶片由于内部机械应力和表面粗糙度/该密封表面的颗粒而造成不平坦时有所帮助。从中心端口的空气的流入将迫使薄晶片的初始真空结合从中心向边缘进行。一旦该空腔腔室被完全注满，薄晶片也完全地真空结合到MVC表面上。在下一个步骤中，如图11E所示，将该夹具脱离，结合的MVC从底部静电夹持板去夹持。结合的薄晶片然后可以进行随后的制造工艺并加工。
图12A至图12D示出本发明的另一种装置以及使用该装置使得薄晶片186从MVC188分离/分开/松脱的顺序。其中关键步骤之后的截面示意图得以显示。如图12A所示，结合薄晶片的MVC被静电夹持到顶板上，然后被装配到底部静电夹持板上或简单地放在平坦的表面上，而真空密封机构位于其间，以形成用于分离处理的封闭的空腔腔室。应当注意，在底板上放置有软底座。当薄晶片分离且坠落在底板上时该软底座用来固定MVC并将MVC从薄晶片上物理性地分离。如图12B所示，该空腔腔室通过顶部夹板或底部夹板上的侧端口/阀的一个来抽气。当低压或真空等于或低于MVC的微真空空腔中的压力时，薄晶片能够通过以下效应的一个或全部被释放：一旦该空腔腔室压力低于微真空空腔压力，则薄晶片由于压力差而被迫下降；薄晶片的重量能够帮助薄晶片从MVC上分离；当达到低空腔腔室压力时，薄晶片的可选的加热或超声振动能够通过顶部静电夹持板帮助薄晶片从顶部夹板上分离。如图12C所示，分离的薄晶片与MVC之间的空腔腔室和空间通过顶部夹板或底部夹板上的侧端口/阀的一个来注气。所分离的薄晶片和MVC被分别静电夹持到顶部夹板和底部夹板上。将该夹具分离，并且分离的MVC和薄晶片被送往下一个处理步骤。
图13A至图13C示出本发明的另一种装置以及使用该装置使多个薄晶片192与MVC托盘190真空结合的顺序。其中关键步骤之后的截面示意图得以显示。薄晶片192之一被真空夹持到真空夹板上，该真空夹板具有用于真空夹持晶片的正常表面槽、沟道、端口以及阀，但也包括在晶片覆盖区外侧的用于对形成在顶部夹板和MVC托盘190之间的空腔腔室进行抽气和排气的端口和阀。如图13A所示，真空夹持的薄晶片利用位于其间的真空密封机构（如O型环）而布置。在装配了该夹具配置之后，形成用于抽空薄晶片与MVC托盘之间的空气的封闭的小空腔腔室。如图13B所示，对薄晶片与MVC托盘之间的封闭空腔腔室和空间进行抽气。可以通过顶部夹板上的侧真空端口和阀来进行抽气。进行抽气的空腔腔室的压力由泵和压力计（在附图中未示出）来监控和控制。一旦达到类似于或低于薄晶片夹持真空压力的特定真空低压，则阀被关闭，并且空腔腔室被密封。在抽气之后或在抽气期间，薄晶片从顶部真空板被释放，并被放置在MVC密封表面的顶部。可以通过以下效应的一个或多个来引发薄晶片的剥离：一旦该空腔腔室压力低于薄晶片和顶板真空夹持压力，则薄晶片由于压力差而被迫下降；薄晶片的重量能够帮助薄晶片从顶部真空夹板上分离；当达到低空腔腔室压力时，薄晶片的可选的加热或超声振动能够通过顶部真空夹板帮助薄晶片从顶部夹板上分离。在下一个步骤，如图13C所示，空腔腔室可以通过顶部夹板的中心的端口/阀来注气。中心注气的这种方法将在薄晶片由于内部机械应力和该密封表面的表面粗糙度/颗粒而造成的不平坦时有所帮助。从中心端口的空气的流入将迫使薄晶片的初始真空结合从中心向边缘进行。一旦空腔腔室被完全注满，则薄晶片也完全被真空结合到MVC表面上。在下一个步骤，为下一个薄晶片结合拆卸该夹具，并且结合的薄晶片然后可以进行随后的制造工艺并加工。
应当注意，该图中的多个薄晶片在MVC托盘上的结合也可以通过使用薄晶片的静电夹持来实现。
图14A至图14D示出本发明的另一种装置以及使用该装置使多个薄晶片196从MVC托盘198分离/分开的顺序。其中关键步骤之后的截面示意图得以显示。如图14A所示，顶部夹板200是可弯曲的且连接至位于其边缘上的可弯曲隔膜202和位于其顶侧的弹簧204。而且，在可弯曲顶部夹板的顶部具有封闭的内空腔腔室。夹持板200可以是静电夹持或具有用于在分离期间抓住薄晶片的粘合底表面的普通夹持。夹持组件被布置在薄晶片的顶部以从MVC托盘分离。如图14B所示，从顶部上的侧端口/阀对顶部夹板与MVC之间的空腔腔室进行抽气。在抽气期间，该夹具向下移动，并且弹簧由于该夹持两端的压力差而被拉动。当粘合/静电夹持表面与薄晶片顶表面接触时，薄晶片连接至可弯曲夹具。在外腔室中达到低于微真空空腔压力的压力之后，然后对内腔室进行抽气。在对内腔室抽气期间，弹力回复力将可弯曲夹持板与薄晶片向上牵引。结果是，如图14C所示，薄晶片在真空中从MVC托盘分离。在下一个步骤，如图14D所示，该外腔室首先被注气，紧接着随内空腔腔室注气。在外腔室注气之后，夹具组件能够从MVC托盘移开，并且分离的薄晶片能够被转移到下一个加工步骤。
应当注意，该图中用于分离的装置还能够用于将薄晶片与MVC真空结合，尤其当静电夹具在真空结合之前用来夹持薄晶片时。这种方法的装置还能够用来将薄晶片从单晶片MVC上分离。虽该装置在真空结合工艺中的附图中未示出，但其属于本发明的一部分。
图15示出了基于薄硅衬底的太阳能电池的截面示意图。该薄硅衬底通过外延硅生长工艺制成。该薄硅为单晶且由原位掺杂的n型基极210、p+发射极212以及n+正面场（FSF）层214组成。发射极触点216和基极触点218都在太阳能电池的背侧制成。该薄硅太阳能电池通过安装在其前侧的玻璃MVC220得以加强。该薄硅衬底和玻璃MVC的边缘界面以粘合剂（如EVA或PV级硅胶）进行密封，以防止薄硅衬底在其边缘的破裂和裂纹。在前硅表面上，具有用于硅表面钝化的薄热氧化硅层和用于抗反射涂布（ARC）的PECVD氮化硅层。玻璃MVC上的微空腔表面还用作光阱层，以减少前反射光损耗。在太阳能电池的背侧，具有涂布的反射绝缘体层，以在背侧表面上减少传输损耗。该太阳能电池的制造工艺还可用作本发明的MVC方法和装置的示例性应用。具体地，MVC可用作用于薄衬底加工和处理的临时载具。
在其它区域中，本发明在基于薄膜太阳能衬底（TFSS）的太阳能的领域中非常有用。制作这种太阳能电池的方法在公开号为2008/0157283和2009/0107545的美国专利中得到公开，该专利内容通过引用在此并入本发明。
可以在活跃晶片区的外围制作边界限定沟槽，以有助于进行释放。通过引用合并的、公开号为2010/0203711的美国专利详细地公开了制作边界限定沟槽的方法。
通过引用合并的、专利号为7,745,313的题目为“衬底释放方法和装置”的美国专利详细地公开了释放外延层以形成TFSS的方法。
除太阳光伏之外，本发明的MVC装置和方法能够应用于半导体微电子和集成电路制造。图16示出了其在现代半导体器件（如CMOSIC制造）中的应用。与标准厚度（700微米以上）晶片相比，MVC允许使用成本低得多的且薄得多（例如，薄于30微米）的硅晶片。这可使硅材料的成本大量降低。典型的CMOS工艺流程可以使用两个可重复使用的MVC：一个用于前端处理（直到金属化），另一个用于后端金属化。多个（例如2个）MVC的使用将确保低成本的集成电路的防交叉污染制造。
本领域普通技术人员将认识到除了上述的那些具体实例之外所公开的实施例还具有有广泛的变化。
所提供的示例性实施例的前述说明使本领域技术人员能够制作或使用所要求保护的主题。这些实施例的各种变型对本领域技术人员是非常明显的，并且本文定义的一般性原则在不使用创新型劳动的情况下可以应用于其它实施例。这并不意味着本发明所要求保护的主题局限于本文示出的实施例，而是包括与本文公开的原则和新颖的特征一致的最广范围。
其意图在于本说明书所包括的所有这些额外的系统、方法、特征以及优点都属于权利要求书的范围内。

Claims (38)

1.一种用于支撑薄晶片的可移动真空载具，所述可移动真空载具包括：
结构衬底，具有顶表面，厚度大约处于0.5毫米至5毫米的范围内，并且衬底宽度大约处于10毫米至500毫米的范围内；
多个微真空空腔，位于所述顶表面上，其中所述多个微真空空腔与所述薄晶片上的表面纹理对应；
以及薄表面涂层，沉积在所述顶表面上，并且大体上与所述多个微真空空腔保持相同形状，
其中，所述可移动真空载具能够在所述多个微真空空腔处于低于周围压力的压力时结合至所述薄晶片。
2.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述结构衬底和所述薄晶片由具有大体上类似的热膨胀系数的两种材料制成以允许可靠的热处理。
3.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述结构衬底和所述薄晶片由具有类似的或不同的热膨胀系数的两种材料制成，用于非热加工。
4.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述结构衬底和所述薄晶片由单一材料制成。
5.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述结构衬底包括柔性材料。
6.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述多个微真空空腔具有至多与所述薄晶片的厚度大致相同的深度和宽度。
7.根据权利要求2所述的可移动真空载具，其中，所述深度和所述宽度至多大约100微米。
8.根据权利要求2所述的可移动真空载具，其中，所述厚度、深度以及宽度处于大约几微米至几百微米的范围。
9.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述结构材料包括单晶硅或多晶硅。
10.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述多个微真空空腔包括多个棱锥型微真空空腔。
11.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述多个微真空空腔包括多个六角形微真空空腔。
12.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述多个微真空空腔包括多个棱锥型微真空空腔和多个截顶棱锥型微真空空腔。
13.根据权利要求1所述的可移动真空载具，其中，所述结构衬底具有是所述薄晶片的长度的至少三倍的衬底长度，从而包括能够与多个薄晶片结合的托盘。
14.一种加强薄晶片的方法，所述方法包括：
将所述薄晶片夹持至晶片夹具；
将可移动真空载具夹持至可移动真空载具夹具，其中，所述可移动真空载具包括具有顶表面的结构衬底，位于所述顶表面的多个压力减小的空腔，以及沉积在所述顶表面上，并与所述多个压力减小的空腔大体上保持相同形状的薄表面涂层；
将所述夹持的薄晶片和所述夹持的可移动真空载具放置在真空腔室内，所述真空腔室包括至少一密封O型环；
经由所述真空腔室中的真空端口减少所述真空腔室内的压力；
将所述薄晶片从所述晶片夹具中释放；
从而使所述薄晶片依靠在所述可移动真空载具上；
经由所述真空腔室中的真空端口对所述真空腔室注气（venting），从而将所述薄晶片结合至所述可移动真空载具；以及
将所述支撑的薄晶片和可移动真空载具从所述真空腔室移出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述薄晶片从所述晶片夹具释放的所述步骤包括经由压力差进行释放。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述薄晶片从所述晶片夹具释放的所述步骤包括经由重力进行释放。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述薄晶片从所述晶片夹持释放的所述步骤包括经由加热所述薄晶片进行释放。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述薄晶片从所述晶片夹持释放的所述步骤包括经由所述薄晶片的超声激励进行释放。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述可移动真空载具夹具和所述晶片夹具包括真空夹具。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述可移动真空载具夹具和所述晶片夹具包括静电夹具。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括经由以下步骤将所述薄晶片从所述可移动真空载具分离：
将所述结合的薄晶片和可移动真空载具放置在第二真空腔室内；
经由所述第二真空腔室中的真空端口减少所述第二真空腔室内的压力；
经由真空夹持工艺、静电夹持工艺或粘合结合工艺将所述薄晶片从所述可移动真空载具分离；
经由所述第二真空腔室中的真空端口对所述第二真空腔室注气（venting）；
将所述薄晶片和所述可移动真空载具从所述第二真空腔室移开。
22.一种用于薄晶片和可移动真空载具的真空结合和分离的装置，所述装置包括：
真空腔室，包括至少一O型环；
薄晶片夹具，在所述真空腔室内；
可移动真空载具夹具，在所述真空腔室内；
端口，耦合至所述真空腔室；
控制阀，耦合至所述多个端口；
泵，耦合至所述端口，所述泵运行时减少所述真空腔室内的空气压力；
所述端口、控制阀以及泵，运行时通过减少和增加所述真空腔室内的空气压力而将所述薄晶片与所述可移动真空载具附着到一起；以及
所述端口、控制阀以及泵，运行时使所述薄晶片与所述可移动真空载具脱离。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述薄晶片夹具和所述可移动真空载具夹具包括真空夹具。
24.根据权利要求22所述的装置，其中，所述薄晶片夹具和所述可移动真空载具夹具包括静电夹具。
25.根据权利要求22所述的装置，其中：
所述可移动真空载具，包括：
单晶硅结构衬底（100），具有顶表面，厚度大约处于0.5毫米至5毫米的范围内，并且衬底宽度大约处于100毫米至300毫米的范围内；
多个棱锥型微真空空腔，位于所述顶表面上，其中所述多个微真空空腔与在所述薄晶片上的表面纹理对应，并具有至多大约100微米的深度和宽度；以及
薄表面涂层，沉积在所述顶表面上，并且大体上与所述多个微真空空腔保持相同形状，
以及其中，所述衬底包括单晶硅。
26.一种用于支撑至少一个薄晶片的可移动真空载具，所述至少一个薄晶片具有两个侧面，并且所述可移动真空载具包括：
结构衬底，具有支撑表面，
多个压力减小的空腔，位于所述支撑表面上；以及
其中，当所述多个压力减小的空腔与所述薄晶片的一侧在低于所述薄晶片的相对侧的第二气体压力的第一气体压力下接触时，，所述可移动真空载具能够支撑所述至少一个薄晶片，并创建差异支撑压力。
27.根据权利要求26所述的可移动真空载具，其中，在支撑所述至少一个薄晶片的周期期间由所述可移动真空载具来大体上保持所述第二气体压力与所述第一气体压力之间的压力差。
28.根据权利要求26所述的可移动真空载具，其中，所述第二气体压力为周围大气压。
29.根据权利要求26所述的可移动真空载具，其中，所述第一气体压力处于大约0.1托至700托的范围内。
30.根据权利要求26所述的可移动真空载具，其中，所述差异支撑压力能够被消除，以终止所述支撑并允许将所述至少一个薄晶片从所述可移动真空载具中移除。
31.根据权利要求26所述的可移动真空载具，其中，所述可移动真空载具可被多次使用，以通过多个再利用循环来支撑和释放多个薄晶片。
32.根据权利要求31所述的可移动真空载具，其中，所述多个再利用循环包括在所述多个薄晶片上进行的至少一湿法工艺。
33.根据权利要求31所述的可移动真空载具，其中，所述多个再利用循环包括在所述多个薄晶片上进行的至少一热法工艺。
34.根据权利要求31所述的可移动真空载具，其中，所述多个再利用循环包括在所述多个薄晶片上进行的至少一薄膜沉积工艺。
35.根据权利要求31所述的可移动真空载具，其中，所述支撑表面具有多个邻近的三维表面特征。
36.根据权利要求26所述的可移动真空载具，其中，所述支撑表面具有至少一个表面涂膜。
37.根据权利要求36所述的可移动真空载具，其中，所述至少一个表面涂膜通过有效密封所述压力减小的空腔有助于维持和保持所述差异的支撑压力。
38.一种用于支撑至少一个薄半导体裸片的可移动真空载具，所述至少一个薄半导体裸片具有两侧，并且所述可移动真空载具包括：
结构衬底，具有支撑表面，
多个压力减小的空腔体，位于所述支撑表面上；以及
其中，当所述多个压力减小的空腔与所述薄半导体模具的一侧在低于所述薄半导体模具的相对侧的第二气体压力的第一气体压力下接触时，所述可移动真空载具能够支撑所述至少一个薄半导体裸片，并创建差异支撑压力。
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