CN1926420A - 用于超薄膜分离和纳米电子器件制造的玻璃改性应力波 - Google Patents

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Abstract

用于在基体和涂层之间产生张力的装置，其中基体在第一轴上具有由第一侧面和第二侧面限定的厚度，涂层涂覆到基体的第一侧面，使得涂层和基体沿第一轴轴向分隔并且相互紧密对向接触，从而形成涂层/基体界面。该装置具有布置在基体第二侧面上并且沿第一轴轴向分隔的玻璃元件。配置该玻璃元件以将应力波传播至涂层/基体界面，从而在基体和涂层之间产生张力。

Description

用于超薄膜分离和纳米电子器件制造的玻璃改性应力波
                       相关申请的交叉引用
本申请要求享有在2004年3月5日提交的美国临时申请序号60/550,803的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
                   关于联邦赞助研究或开发的声明
本发明是在由Army Research Office给予的Grant No.DAAD19-00-1-0491的政府资助下做出的。政府具有本发明中的一定权利。
                   以光盘形式提交的对比引入材料
不适用
                      材料受版权保护的警告
本专利文件中部分材料受美国以及其它国家的版权法的版权保护。版权拥有人不反对任何人复制本专利文件或专利公开内容，因为它是美国专利和商标局公开出版的可获取的文件或记录，但是仍保留了全部的版权。版权拥有人因此不放弃使该专利文件维持保密的所有权利，包括且不限于其根据37C.F.R.§1.14的权利。
                            发明背景
1.技术领域
本发明一般地涉及在纤维或平坦基体上涂覆涂层，更具体涉及用于产生超薄膜剥离和测量基体和薄膜之间的界面抗张强度的改进方法和系统。
2.背景技术
膜和涂层已经广泛用于不同工业中。实例包括发动机隔热涂层；切削工具、密封件和接头中的磨擦涂层；涂料组合件中的聚合物层；复合材料中的纤维涂层；电子器件中的电、磁和光学复合层；基于MEMS的机械和临床装置中的金属和陶瓷膜等等。在复合材料领域中，薄涂层和纤维之间的界面被认为使碰撞基质裂纹偏转(deflecting impinging matrix crack)。在磨擦学领域中，感兴趣的是各种功能涂层例如磁、传导、光学或电涂层、保护性涂层例如隔热、防腐蚀或抗磨损涂层、或装饰性涂层与它们的下方基体之间的界面。
在前述各种应用中，界面的抗张强度是直接控制界面脱附过程的重要性质，并且通常控制涂层组分的可用性和可靠性。膜附着是实现它们的预定功能的前提。因此在所有这些应用中的中心目的是通过使附着力最大来避免膜脱层和涂层破坏，并预测被涂覆组件的长期可靠性。另外，界面抗张强度的测量对于上述应用中涂层的可靠性能是重要的。这些问题通常是通过寻求不同层之间的附着力作为加工(膜沉积和表面变量)以及维护(湿度和温度)变量的函数的基本理解来解决的。
当前，这些目的是利用附着力测量工具来完成，例如常用于本领域中的激光层裂技术。通常，利用高能激光脉冲撞击约束板、金属层、基体板以及涂层组合的平面装置。激光脉冲撞击在夹在所关心基体的背表面和熔融石英约束板之间的厚金属膜上，其中熔融石英约束板对激光波长透明。一般来说，金或铝被用作激光吸收膜。由于组合件的轴向限制，在受约束的金中吸收激光能量导致膜的瞬时膨胀，这导致产生导向测试涂层界面的压缩冲击波。部分压缩脉冲被传输到涂层中作为压缩脉冲冲击界面。该压缩脉冲从涂层的自由表面反射成为张力脉冲，导致涂层移除，假设振幅足够高。
美国专利No.5,438,402提供了本领域中的重大改进，以测定低至1微米厚的平坦界面的抗张强度。但是，为了利用纳米技术开发超高密度器件，如今厚度小于0.5微米的超薄层是微电子工业中的研究热点。此外，当大规模生产时，在MEMS基的机械和临床装置的材料最优化中，类似长度等级下的附着力将变得重要。因此，需要扩展对厚度小于0.5μm的膜的测量能力。
因此，本发明的目的是测量这种极薄膜之间的界面抗张强度。
另一目的是利用玻璃改性应力波使薄膜线或其整个结构从半导体和工程基体分离和分层，并将它们捕获放置在所期望的基体上以重建结构。这可以绕过当前使用的湿蚀刻技术，得到制造MEMS以及纳米级器件的更快方法。以下发明将满足这些目的中的至少一些。
                             发明内容
本发明的一方面是用于在基体和涂层之间产生张应力的装置，其中基体在第一轴上具有由第一侧面和第二侧面限定的厚度，涂层涂覆到基体的第一侧面，使得涂层和基体沿第一轴轴向分隔并且相互紧密对向接触，从而形成涂层/基体界面。该装置具有布置在基体第二侧面上并且沿第一轴轴向分隔的玻璃元件。配置该玻璃元件是为了将应力波传播至涂层/基体界面，从而在基体和涂层之间产生张力。
在该方面的优选实施方式中，在涂层/基体界面处配置张应力以使涂层从基体分离。通常，应力波具有约5纳秒-约100纳秒的长度。理想地，应力波包含稀疏冲击形式。配置玻璃基体以允许分离厚度小于约0.5μm的涂层。但是，本发明还可用于厚度大于约0.5μm的各种涂层。
在一个实施方案中，配置玻璃以传播由沿第一轴传导的Nd-Yag激光束撞击所产生的应力波。通常，玻璃元件结合至基体的第二侧面。玻璃元件可以包含派热克斯玻璃(Pyrex)、碱石灰、石英、硼硅酸盐或类似材料。玻璃元件可具有任意的厚度，但优选具有约0.1mm-约5mm的厚度。
在一些实施方案中，装置还包括与玻璃元件邻接布置的约束元件。另外，可以在约束层和玻璃元件之间布置能量吸收层。
本发明的另一方面包含用于将涂层从基体分离的方法，基体具有沿第一轴横向布置的第一侧面和第二侧面，其中涂层涂覆到基体的第一侧面，使得涂层和基体沿第一轴轴向分隔并且相互紧密对向接触，从而形成涂层/基体界面。该方法包括下列步骤：将玻璃元件沿第一轴布置在基体第二侧面上；将激光脉冲沿第一轴导向玻璃元件；通过玻璃元件将应力波传播至涂层/基体界面，从而在基体和涂层之间产生张力；和通过由应力波产生的张应力将涂层从基体分离。
在优选实施方案中，传播的应力波的长度配置为分离厚度小于约0.5μm的涂层。
在另一个实施方案中，该方法还包括沿第一轴定位玻璃元件，包括将玻璃元件结合至基体的第二侧面。另外，约束元件可邻接玻璃元件的自由侧面而布置。该方法还包括在约束层和玻璃元件之间的玻璃元件自由侧面上涂覆能量吸收层，使得沿第一轴传导激光脉冲包括将激光脉冲导向涂覆在玻璃元件上的能量吸收层。
在该方面的一个实施方式中，由应力波在涂层/基体界面产生的应力超过约1.0Gpa。具体地，由应力波在涂层/基体界面产生的应力超过约2.0Gpa。
在本发明的又一方面，公开了用于将附着在第一基体正面的纳米结构从第一基体分离的装置。该装置包含布置在与纳米结构相对的第一基体的背面上的玻璃元件。配置激光源例如Nd-Yag激光，将激光束导向玻璃元件。配置玻璃元件以将由激光束撞击所产生的应力波传播至纳米结构，以在纳米结构和第一基体之间产生张应力，从而使纳米结构从第一基体分离。
在该方面的一个实施方式中，装置还包含相对于第一基体正面布置的第二基体，此处配置第二基体是为了在纳米结构从第一基体分离时接收该纳米结构。
在优选实施方案中，装置还包括布置在第二基体上的粘合层。通常配置粘合层以在纳米结构和第二基体之间形成结合。还可以包括一个或多个隔离物以使第一基体与第二基体分离。
在另一方面，用于将硅平台(silicon platform)转移至接收基体的装置包含布置在硅平台背面的玻璃基体以及配置用于将激光束导向玻璃元件的激光源。配置玻璃元件以在硅平台和玻璃基体之间产生由于激光束撞击而导致的张应力，使得张应力将硅平台推至接收基体。
在该方面的一个实施方式中，能量吸收层可以邻接与硅平台相对的玻璃基体布置，这样配置能量吸收层和玻璃基体以使应力波传播通过玻璃基体，从而在硅平台和玻璃基体之间产生张应力。
在另一个没有能量吸收层的实施方式中，激光束穿过玻璃基体，从而在硅平台和玻璃基体之间产生张应力。
在许多实施方案中，硅平台包含一个或多个电路。硅平台还可以包含Si薄膜。
在另一个实施方式中，接收基体包含聚合物。接收基体还可以旋涂有聚合物膜。
本发明的其它方面将在下文说明部分中阐述，其中详细说明的目的在于完全公开本发明的优选实施方案，而不是对其限制。
                             附图说明
参考下列用于示例性说明的附图，将更充分地理解本发明：
图1是利用激光Doppler位移干涉仪的激光层裂抗张强度测量系统的示意图。
图2A表示用于测试现有技术薄膜样品附着特性的试验装置。
图2B表示现有技术薄膜样品组合件的截面放大图。
图3表示增加激光能量密度时硅中所测量的应力波形。
图4是根据本发明的典型薄膜样品组合件的截面图。
图5A表示增加激光能量密度下钠钙玻璃中的应力波形图。
图5B是钠钙玻璃与Si的应力波形比较图。
图6表示不同类型玻璃中应力波形的图。
图7A是说明具有玻璃的Cu/TiN/Si系统中破坏位置的照片。
图7B是说明没有玻璃的Cu/TiN/Si系统中破坏位置的照片。
图8A表示图7A和7B系统的表面速度图的比较图。
图8A表示在图7A和7B系统的Cu/TiN截面处的应力历史比较图。
图9A和9B表示根据本发明的纳米线分离和回收组合件200的示意图。
图10A是根据本发明的具有引线凸块(lead bumps)的多层塑料基体截面图。
图10B是说明应力波分离的捕集在根据本发明柔性塑料带上的引线凸块照片。
图11表示分离的引线凸块的整体聚焦图。
图12说明旋涂有聚合物膜的多晶硅表面的本发明替代实施方案。
图13说明利用聚合物箔的本发明另一个实施方案。
                           具体实施方式
具体参考附图，为了示例性目的，本发明具体例示在图4-图6以及图7B-图13中所示的装置中。应该理解的是，本发明装置可以在结构和部件细节方面变化以及本发明方法可以在具体步骤和次序方面变化，而不偏离本文所公开的基本概念。
本发明的装置和方法测量极薄膜界面(厚度小于0.5微米)以及它们沉积在工程基体上的多层的抗张强度(附着力)。本发明利用玻璃改性应力波实现薄膜线或它们的整个结构从半导体和工程基体的分离和分层。进一步公开了在所需基体上捕获这些薄膜或结构以重建结构的装置和方法。这可以得到绕过当前使用的湿蚀刻技术来制作MEMS以及纳米级器件的更快的方法。该方法还可以提供具有吸引力的替代方案，以产生纳米电路或微米电路。
图1示出利用激光Doppler位移干涉仪12和激光层裂装置的界面抗张强度测量系统。输入激光器20产生沿第一轴的脉冲光束。第一光学元件22沿第一轴放置以接收输入光束。元件22使输入光束准直和使准直光束24沿与第一轴基本平行的第二轴通过，并且与样品组合件16成一直线。样品组合件16一般包含约束元件、能量吸收层、基体元件以及样品涂层，这些部件沿第二轴依次分隔并横切第二轴布置。
激光Doppler位移干涉仪系统12是包括第二输入激光34、定位以接收激光34输入光束的第一准直透镜L1以及第一固定反射镜M2的测量装置。反射镜M2与第一准直透镜L1偏置一定角度，以使激光束沿第一反射轴38通过。第一反射轴38基本横切由激光34所产生的输入光束。分光器28沿反射轴38布置以接收输入光束38的所选部分。入射在分光器28上的部分光束沿第二反射轴40透过分光器28。此外，沿反射轴38透过的所选部分光束通过分光器28沿第一输出轴41被导向第二固定反射镜M1。沿第二反射轴40透过的激光束入射到样品组合件16的自由表面上并沿轴40反射回到分光器28。分光器28将从样品组合件16反射的所选部分光束沿第二输出轴42透过。第一和第二输出轴41、42横切反射轴38、40布置。第二准直透镜L2沿第二输出轴42放置，以接收来自分光器28的反射部分的光束。第二准直透镜L2使光束沿第二输出轴42透过到达光电二极管44。光电二极管44也沿第二输出轴42放置以接收反射光束。光电二极管44对反射部分的入射光束响应而产生信号45。光电二极管信号45与数字转换器46电连接。数字转换器46还产生与计算机48电连接的输出信号47。
为了测量在样品组合件16的自由表面中引起的振动，使用图1的激光Doppler位移系统12。激励激光34以产生沿轴36的激光束。第一准直透镜L1使光束准直并使光束向前到达固定反射镜M2。反射镜M2相对于轴36偏置一定角度。反射镜M2沿反射轴38反射激光束34。分光器28沿反射轴38放置以接收反射激光束。分光器28使所选部分的反射光束沿反射轴40透过，同时使所选部分的入射光线沿第一输出轴41透过。在优选实施方案中，分光器可相对于反射轴38以任意的角度布置，但是优选相对于反射轴38以45度的角度布置。此外，分光器优选将激光束分成两个相等的光束。
从固定反射镜M1反射的光束是基准光束，从涂层32的自由表面沿第二轴40反射的光束是信号光束。基准光束和信号光束在分光器28混合并且沿第二输出轴42透过。透镜22优选凸透镜，其使混合光束准直并使该光束沿轴42透过到达光电二极管44。光电二极管44产生与涂层自由表面的运动即瞬时速度成比例的信号45。光电二极管44的输出电压信号与数字转换器46电连接。然后数字转换器被激励从而产生与计算机48电连接的输出信号47。
数字转换器46产生对应于光电二极管44的条纹记录的信号47。条纹记录通过计算机48与样品组合件自由表面的速度相关。然后，涂层自由表面的瞬时速度经一系列波动力学方程与界面应力相关。更具体而言，在每一激光能量密度水平下所产生的峰值界面张应力通过计算机48与最大自由表面速度相关。计算机48获得在基体自由表面处测量(分别测量)的应力脉冲并使它在基体侧面处撞击界面，并确定在界面和涂层自由表面处应力的所得峰值张力振幅(通过归一化系数而归一化)。前述振幅的比包含转换系数，该转换系数用于将在涂层或基体自由表面处的测量峰值应力转换为界面峰值应力。
图2A示出利用本领域常用的激光层裂技术的实验。3纳秒(ns)长的Nd:YAG激光脉冲被导向样品组合件50，并使其在3mm直径面积上撞击0.5μm厚的铝膜52，其中所述铝膜夹在基体盘(具有12-25mm直径和1mm厚度)的背面和10-20μm厚的SiO2层之间。
当被激励时，第一输入激光20产生沿第一轴传到透镜22的激光脉冲。透镜22使激光脉冲准直成为入射到约束层50上的准直光束24。
约束材料50通常对输入激光脉冲透明，由此将脉冲传输到能量吸收铝层52。能量吸收铝层52吸收激光脉冲导致铝层52瞬时熔融诱导的膨胀，由于组合件的轴约束例如约束材料54和基体56，导致产生指向基体56和沉积在基体56正面上的试验涂层58的压缩冲击波或脉冲。
如图2B所示，通过基体56传播的压缩应力脉冲入射到基体56和实验涂层或样品58之间的界面上。当压缩脉冲撞击界面时，部分压缩脉冲传输到涂层中。压缩脉冲到达涂层自由表面60并在此被反射，由此形成张力脉冲T。通过利用图2A所示的光学干涉仪70来测量涂层自由表面60的瞬时位移历史(包括在脉冲反射期间)从而获得界面张应力。这种张力脉冲T的形成导致涂层58从基体/涂层界面移除，假定振幅足够高。
当应力脉冲从涂层58的自由表面60或基体56反射时，在自由表面处的颗粒经历瞬时速度，该速度与撞击应力脉冲的瞬时图形成比例。这种瞬时速度通过图2的激光Doppler干涉仪系统70直接测量。Doppler干涉仪系统70包含第二输入(Ar离子)激光72、一系列准直透镜、反射镜M1-M3以及光电二极管74和数字转换器76。
对于涂层的密度ρ和厚度h，界面应力δ由所测瞬时速度v(t)计算如下：
                δ(h，t)＝1/2ρc[v(t+h/c)-v(t-h/c)]
其中c是膜中纵向应力波速度。
在上述基本技术中用于剥离膜的激光生成应力波形复制在图3中。这些测量是利用Si晶片基体进行的。上升以及峰值后下降时间随着增加激光能量密度所获得的应力脉冲振幅的增加没有明显变化。典型的应力脉冲图形具有1-2ns的上升时间以及大约16-20ns的逐渐峰值后下降。但是可以在复合基体中产生高达几百纳秒的应力波。如果膜与应力波长度相比非常薄，则在从膜的自由表面反射之后，初始压缩脉冲的尾端仍在界面而它的前端作为张力波已经返回。由于破坏性干涉，峰值界面张应力总小于初始压缩波的振幅。
峰值界面张应力的振幅随膜的厚度、应力波的上升时间和峰值后下降时间非线性地减小，并且在零膜厚度的极限情况下变为零。由此，对于薄层而言，峰值界面张应力可以远低于基体内部的峰值张应力。对于固有强界面，这样的条件通常在所需界面能够分离之前导致基体内的破坏。
对于具有溅射沉积在Si晶片基体56上的涂层58的Cu/TaN双层系统，表1总结了利用基础激光层裂技术的界面抗张强度测量值。对于前三个样品，由于涂层58的膜厚度不足因此在Si基体56内观察到破坏。对于这些样品注意到Si基体内峰值张应力的一致性(consistency)，指示5GPa的Si抗张强度。对于这些样品，Ti/TaN界面张应力相当低，并且低于它的界面强度。当膜厚度增加时，破坏位置从基体变为界面。同样，Si内部的峰值张应力低于它的在前面样品中测量的强度。对于最后两个样品，则发现界面强度相同，指示如果不同厚度的膜的界面化学相同，则实验测得相同的基本强度。因此，可以通过简单增加膜厚度或在顶部增加另一层来为反射压缩脉冲提供足够的“空间”以测量超薄膜样品中的界面强度。
但是，由于在一些系统中增加膜厚度可能引起与膜结构和化学变化相关的问题，因此优选的方法总是在膜的初始低厚度状态下或在与用于实际使用装置或应用中相同的形式下来测试膜。因此，超薄膜(厚度小于0.5μm)的成功层裂以及由此测量它们的附着力变得日益重要。
利用基于有限元的模拟，Yuan和Gupta(1993)表明，对于给定的涂层厚度，峰值后下降时间在使界面张应力最大化中最关键。实际上，如果峰值后下降时间减少到零，即波形具有“稀疏冲击”，则任意小厚度的膜的界面张应力理论上将等于输入压缩脉冲的振幅。根据本发明，已经利用玻璃层通过样品组合件经实验实现了这种理论可能性。
图4示出根据本发明的典型样品组合件100。样品组合件100包含约束元件102、能量吸收层104、玻璃基体元件106、硅基体元件108以及具有自由表面112的涂层110，所有这些部件均沿轴分隔并横切该轴布置且紧密对向接触。
如图4所示，Nd-Yag激光脉冲114通常横穿约束层102被导向样品组合件100。激光脉冲穿过水-玻璃约束层102，撞击并加热能量吸收铝层104。铝层104的随后膨胀产生压缩冲击波或脉冲，该冲击波或脉冲传播通过玻璃基体106和硅基体108。脉冲波被传输到涂层110中以形成张力脉冲。
能量吸收层104可以由各种金属或非金属材料组成，例如金或锗或者甚至是普通的黑色胶带，但是优选由薄铝膜组成。约束层102优选由固态水玻璃组成并且厚度为5微米-100微米，优选5微米。约束元件还可包含本领域中已知的一些其它具有类似品质的组分，例如2-丙醇、水、二氧化硅。在可替代实施方案中，约束元件甚至可以包含透明胶带。
硅基体30优选本生圆形并且由单晶硅(Si)晶片组成，其中所述硅晶片直径为10毫米-30毫米，优选1毫米厚。样品涂层32可以小于0.5微米厚。
利用图1和美国专利No.5,438,402中所例示的实验程序，采用包含派热克斯玻璃、碱石灰、石英和硼硅酸盐玻璃的玻璃基体元件108来测量应力波，通过引用将美国专利No.5,438,402的全部内容并入本文。为了精确限定进入玻璃样品中的应力波形，通过利用0.5μm厚的光学级EPOTECH 301FL环氧树脂将标称1.0mm厚的载玻片粘合到0.7mm厚的Si晶片上来实施这些试验。以上述方式通过剥离水玻璃约束Al膜104在Si内部产生应力波。为了干涉仪测量，将400的Al层沉积在玻璃的自由表面上。
图5A和5B表示增加激光能量密度时的一系列应力波形，利用包含钠钙玻璃的玻璃基体元件108测得。如图4所示，在低应力振幅处，图形类似于在Si或其它材料中的图形，具有有限上升时间和逐渐峰值后下降。但是，当应力脉冲振幅超过特定阈值时，应力波120的上升时间变长但峰值后应力图形122开始快速下降。最终，获得了峰值后应力实际上即时下降的图形(下降时间在我们的测试设备分辨率限度内)，非常象“稀疏冲击”。玻璃基体元件样品组合件100与仅具有Si基体的样品组合件相比，在应力波形中的改进在图5B中示出。
图6表示采用派热克斯玻璃、碱石灰、石英和硼硅酸盐玻璃作为玻璃基体元件108测量的脉冲图形。发现各种玻璃之间的上述效果程度不同，但是所有玻璃均表现出稀疏冲击形式。
利用片冲击设备的先前研究不能揭示在玻璃中稀疏冲击的形成，这是由于在它们的工作中脉冲长度大于样品厚度。如上所述，稀疏冲击效果由于脉冲进入材料的有限传播距离而得以实现。由于与样品厚度(～1mm)相比应力波长度较短(～0.1mm)，因此能够在本发明的设备中实现这些效果。
为了显示玻璃改性应力波的用途，制备在表II中列出的样品系列。所有的膜(涂层110)均溅射沉积到基体上，厚度如表中所示。应力波直接在玻璃内部产生。与激光层裂过程相一致，玻璃的自由表面涂覆有0.5μm厚的Al膜并且利用40-50μm厚水玻璃层从顶部约束。选择在显示技术中感兴趣的TiN/玻璃和Ni/玻璃系统以展示玻璃改性波在剥离极薄膜界面中的适用性。
除玻璃基体之外，Cu(1400nm)/TiN(70nm)双层系统被沉积在Si基体晶片108的自由表面上作为涂层120。显然，当应力脉冲直接导向Si晶片内部时，观察到Si内的破坏，如表II中样品1所示。如上所述，这是由于界面的极高强度所致。
在测试本发明中，利用UV固化环氧树脂将Si基体108的无涂层表面结合到派热克斯玻璃、石英或硼硅酸盐玻璃层106，从而允许负载玻璃改性的波。与激光层裂过程相一致，激光吸收Al层104沉积在玻璃基体106的背面并通过40-50mm厚水玻璃层102从顶部约束。表II示出各种结构在相关界面处所观测到的破坏以及每一种结构的比抗张强度值。表II示出利用根据本发明玻璃基体在测量极薄膜界面的抗张强度方面的潜力。图7A和7B示出在表II的实施例#1和样品#2之间实现的对比破坏位置。如图7A所示，，当没有使用玻璃基体时，破坏位置出现在Cu(1400nm)/TiN(70nm)/Si系统中的Si基体108的内部。相反，图7B示出当使用本发明的玻璃改性波时破坏的放大图。箭头表示在Cu/TiN界面处的破坏(即在涂层110内)，而在Si基体108内部没有破裂。计算得到2.62GPa的界面抗张强度。这是一个相当高的值，利用基础层裂设备不可能获得该值。
图7A和7B中所示结果定量地表示在图8A和8B中。图8A表示对应于图7A和7B中所示破坏的由硼硅酸盐玻璃改性波和Si基体产生的波而得到的所测自由表面速度图130和132。因此，在硼硅酸盐玻璃改性波产生的图形132中观测到稀疏冲击行为。对应于硼硅酸盐玻璃改性波形和Si基体图形的界面张应力历史134和136在图8B中示出。从图8B中可知，在玻璃改性波中观测到界面张应力图形136急剧增加。
在纳米技术领域中可能变得重要的相关应用是这些特定波在MEMS以及纳米电子器件制造中的用途，例如制造纳米电路以及由电子基体(Si、Ge等)上的纳米线组成的结构的器件。与采用现有微米级技术的器件可能处理速度相比，预期基于纳米电路的器件将产生明显更快的处理速度。当今使用的光刻技术就其能够制造的最小特征尺寸而言已基本达到其极限。纳米线制造的新思路包括E束蚀刻(非常慢)以及基于各向异性晶格失配的膜沉积思路。在后一种方法中，选择膜和基体的材料，使得在一个方向上大量晶格失配并且在另一方向上几乎没有。大的失配约束膜生长，同时促使膜在零晶格失配方向上生长。因此该方法受限于少数选择的膜/基体的组合。
图9A和9B示出根据本发明的纳米线分离和收回的组合件200。可以利用本发明的原理来分离布置在用于合成纳米线生长的特定基体204上的纳米线202。如图4中所述，激光脉冲可以导向玻璃基体206自由侧面上的薄Al层208，引起压缩冲击波，传播通过玻璃基体206和邻接的硅基体204。冲击波反射离开纳米线202以产生分离纳米线202和硅基体204的张力。如上所述，这种薄线的分离只有利用本发明的玻璃改性波才是可能的。
如图9B所示，随后可以在所需的电子基体212上“捕集”或收回分离的线，其中基体212与纳米线202的自由表面相对设置并经隔离物210隔离。电子基体212可具有非常薄的粘合剂层214或自组装分子层。然后可以通过重复使用该程序来构建电路。在这种构造下，对所使用的基体类型没有限制。
图9A系统的实例通过具有如图10A中所示横截面的多层塑料基体来说明。顶层的图10B图示出用于允许Si器件与基体电路连接的电接触的引线凸块222。激光撞击在根据本发明的塑料基体的底表面上，从而朝向基体的顶层发射应力波。应力波使引线凸块222分离，这些分离的引线凸块被捕集在柔性塑料带226上，如图10B所示。
在图10B和图11中示出该过程的成功，其示出在带226上的分离的引线凸块222的低和高倍放大显微图。另外应注意的是，当激光能量增加时还实现了引线凸块区域下的分离。
因此，在这种情况下，引线凸块222沿着它们的底层膜被推离基体220并被捕集在塑料带226上。在图10A中暗区域224是在凸块下的层，其现在出现在柔性塑料带226最顶部。图11表示分离的引线凸块的完整聚焦图。改性玻璃波的另一个应用是在柔性基体例如塑料上制作高性能电路，如用于制作低成本RFID标记、TFT基高性能计算机以及传感系统。
如图12所示，可以利用如上所述已经良好确立的工艺变量，将极高质量的多晶硅或单晶硅层302布置(在有限区域范围)在玻璃或石英基体304上。玻璃基体304在一侧可具有任选布置在硅层302和玻璃基体304之间的二氧化硅层310，同时在玻璃基体304的自由侧面上具有铝膜306和水玻璃约束元件308。
已经制造的高性能电路可以首先在Si或玻璃平台304上产生。接着，可以用聚合物膜即“接收基体”旋涂整个多晶硅表面302。这得到玻璃/Si/聚合物夹层结构。
除了旋涂的聚合物基体之外，还可以将已经形成的聚合物箔322紧密邻接Si平台324(其可以包含一个或多个电路)布置，如图13所示。通过使Nd:YAG激光脉冲326聚焦到具有水玻璃(328)约束Al膜330的0.5mm-4mm直径的区域上，将在玻璃基体320的背面上产生高振幅压缩应力波。应力波将直接分离Si/玻璃界面，以将整个Si膜、Si平台或电路324完全转移到塑料基体上。
在另一个实施方案中，可以移除基体320背面上Al层330或约束水玻璃层328。在这种结构中，激光脉冲326将穿过玻璃并直接与Si表面相互作用，从而发射应力波。而后，这种波将使Si/玻璃界面分离，从而将Si平台324转移到聚合物基体322顶部。因此，图案转移的机理在两种方法中相同。
虽然上述说明包含许多细节，但这些不应理解为限制本发明范围，而仅是提供一些示例性的本发明优选实施方案。因此，应该理解的是，本发明完全包含对领域技术人员而言显而易见的其它实施方案，并且本发明的范围仅受限于所附的权利要求，其中引用单数元件并不是指“一个和仅仅一个”，除非明确如此说明，而是指“一个或多个”。本领域技术人员已知的上述优选实施方案的元件所有结构、化学和功能等价物通过引用明确并入本文并且将被本发明权利要求所包含。而且，对器件或方法而言，不必解决本发明寻求解决的每一个和全部问题，其被本发明权利要求所包含。此外，本发明公开内容中的元件、部件或方法步骤并非用来贡献于大众，无论该元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确叙述。本文中非权利要求的元件不受35U.S.C.112、第六段的条款解释，除非该元件利用措词“用于……的工具”来明确叙述。
表I.膜厚度对破坏模式的影响
  结构   峰值界面张应力(MPa)   基体中的峰值张应力(MPa)   破坏位置
  Cu[100nm]/TaN[20nm]/Si   38±4   5100   Si破坏
  Cu[500nm]/TaN[20nm]/Si   260±18   4900   Si破坏
  Cu[1μm]/TaN[20nm]/Si   280±29   5200   Si破坏
  Cu[5μm]/TaN[20nm]/Si   1380±110   4700   界面破坏
  Cu[10μm]/TaN[20nm]/Si   1370±140   4200   界面破坏
表II.利用玻璃改性应力波测量的界面抗张强度
  样品号 多层结构   峰值界面张应力(MPa)   基体中的峰值张应力(MPa)   破坏位置
  1. Cu(1400nm)/TiN(70nm)/Si   451   5340   硅破坏
  2. Cu(1400nm/TiN(70nm/Si硼硅酸盐玻璃 2620±2120   Cu/TiN界面
  3. Mo[400nm]/硼硅酸盐玻璃   577±47   2624   Mo/硼硅酸盐玻璃界面
4. Mo[1000nm]/硼硅酸盐玻璃 245±26 1050   硼硅酸盐玻璃破坏
5. Mo[400nm]/硼硅酸盐玻璃 577±33 2624   Mo/硼硅酸盐玻璃界面
  6. Mo[400nm]/Pyrex   135±11   1125   Mo/Pyrex界面
  7. Mo[400nm]/石英   99±8   1110   Mo/石英界面
8. Mo[1000nm]/硼硅酸盐玻璃 233±24 980   硼硅酸盐玻璃破坏
9. Mo[1000nm]/Pyrex 53±6 470   硼硅酸盐玻璃破坏
10. Mo[1000nm]/石英 48±4 460   硼硅酸盐玻璃破坏
11. TiN[320nm]/硼硅酸盐玻璃 164±11   TiM/硼硅酸盐玻璃界面
12. Ni[350nm]/硼硅酸盐玻璃 120±13   Ni/硼硅酸盐玻璃界面
13. Cr[400nm]/硼硅酸盐玻璃 197±16 2100   Cr/硼硅酸盐玻璃界面
14. Mo[1000nm]/Cr[400nm]/硼硅酸盐玻璃   210±19   980   Cr/硼硅酸盐玻璃界面

Claims (37)

1.一种用于在基体和涂层之间产生张应力的装置，包含：
具有一定厚度的基体，所述厚度在第一轴上由第一侧面和第二侧面所限定；
涂层，所述涂层涂覆到基体的第一侧面，使得涂层和基体沿第一轴轴向分隔并且相互紧密对向接触，从而形成涂层/基体界面；和
玻璃元件，布置在基体第二侧面上并且沿第一轴轴向分隔；
其中配置该玻璃元件以使应力波传播至涂层/基体界面，从而在基体和涂层之间产生张应力。
2.如权利要求1所述的装置，其中配置张应力以在涂层/基体界面上分离涂层和基体。
3.如权利要求1所述的装置，其中配置玻璃元件以传播由沿第一轴传导的Nd-Yag激光束撞击而产生的应力波。
4.如权利要求1所述的装置，其中应力波具有约5纳秒-约1微秒的长度。
5.如权利要求4所述的装置，其中应力波包含稀疏冲击形式。
6.如权利要求1所述的装置，其中涂层具有小于约0.5μm的厚度。
7.如权利要求1所述的装置，其中玻璃元件与基体的第二侧面结合。
8.如权利要求1所述的装置，其中玻璃元件包含下列物质中的一种：派热克斯玻璃、碱石灰、石英或硼硅酸盐。
9.如权利要求1所述的装置，其中玻璃元件具有约0.1mm-约5mm的厚度。
10.如权利要求1所述的装置，其中基体包含硅。
12.如权利要求1所述的装置，还包含与玻璃元件邻接布置的约束元件。
13.如权利要求12所述的装置，还包含布置在约束层和玻璃元件之间的能量吸收层。
14.一种分离涂层和基体的方法，基体具有沿第一轴横向布置的第一侧面和第二侧面，涂层涂覆到基体的第一侧面，使得涂层和基体沿第一轴轴向分隔并且相互紧密对向接触，从而形成涂层/基体界面，该方法包括下列步骤：
将玻璃元件沿第一轴定位在基体第二侧面上；
将激光脉冲沿第一轴导向玻璃元件；
通过玻璃元件将应力波传播至涂层/基体界面，从而在基体和涂层之间产生张力；和
利用应力波产生的张力使涂层与基体分离。
15.如权利要求14所述的方法，其中沿第一轴传导激光脉冲包括沿第一轴传导Nd-Yag激光。
16.如权利要求14所述的方法，其中传播应力波包括传播具有约5纳秒-约1微秒长度的应力波。
17.如权利要求16所述的方法，其中应力波包含稀疏冲击形式。
18.如权利要求16所述的方法，其中配置应力波以分离厚度小于约0.5μm的涂层。
19.如权利要求16所述的方法，其中沿第一轴定位玻璃元件包括使玻璃元件与基体第二侧面结合。
20.如权利要求14所述的方法，其中玻璃元件包含下列物质中的一种：派热克斯玻璃、碱石灰、石英或硼硅酸盐。
21.如权利要求21所述的方法，其中玻璃元件具有约0.1mm-约5mm的厚度。
22.如权利要求14所述的方法，还包括将约束元件邻接玻璃元件的自由表面定位。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：
在约束层和玻璃元件之间的玻璃元件的自由侧面上涂覆能量吸收层；
其中沿第一轴传导激光脉冲包括将激光脉冲导向涂覆在玻璃元件上的能量吸收层。
24.如权利要求14所述的方法，其中由应力波在涂层/基体界面处产生的应力超过约1.0GPa。
25.如权利要求24所述的方法，其中由应力波在涂层/基体界面处产生的应力超过约2.0GPa。
26.一种用于分离纳米结构和第一基体的装置，所述纳米结构附着在第一基体的正面，该装置包含：
玻璃元件，布置在与纳米结构相对的第一基体背面上；和
激光源，配置用来将激光束导向玻璃元件；
其中配置玻璃元件以将由激光束撞击所产生的应力波传播至纳米结构，以在纳米结构和第一基体之间产生张应力，从而分离纳米结构和第一基体。
27.如权利要求26所述的装置，其中激光源包含Nd-Yag激光。
28.如权利要求26所述的装置，其中玻璃元件包含下列物质中的一种：派热克斯玻璃、碱石灰、石英或硼硅酸盐。
29.如权利要求26所述的装置，还包含布置在约束层和玻璃元件之间的能量吸收层。
30.如权利要求26所述的装置，还包含：
与第一基体正面相对布置的第二基体；
其中配置第二基体以当纳米结构从第一基体分离时接收该纳米结构。
31.如权利要求30所述的装置，还包含：
布置在第二基体上的粘合层；
其中配置粘合层以在纳米结构和第二基体之间形成结合。
32.如权利要求30所述的装置，还包含一个或多个使第一基体和第二基体分离的隔离物。
33.一种将硅平台转移到接收基体上的装置，包含：
布置在硅平台背面的玻璃基体；和
配置用于将激光束导向玻璃元件的激光源；
其中配置玻璃元件以在硅平台和玻璃基体之间产生由于激光束撞击导致的张应力；和
其中配置所述张应力以将硅平台推至接收基体。
34.如权利要求33所述的装置，还包含：
能量吸收层，其与相对于硅平台的玻璃基体邻接；
其中配置能量吸收层和玻璃基体以使应力波传播通过玻璃基体，从而在硅平台和玻璃基体之间产生张应力。
35.如权利要求33所述的装置，其中激光束透过玻璃基体，从而在硅平台和玻璃基体之间产生张应力。
36.如权利要求33所述的装置，其中硅平台包含一个或多个电路。
37.如权利要求33所述的装置，其中接收基体包含聚合物。
38.如权利要求37所述的装置，其中接收基体上旋涂有聚合物膜。
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