DE102015004347A1

DE102015004347A1 - Erzeugung von physischen Modifikationen mittels LASER im Inneren eines Festkörpers

Info

Publication number: DE102015004347A1
Application number: DE102015004347.1A
Authority: DE
Inventors: Marko Swoboda; Jan Richter
Original assignee: Siltectra GmbH
Current assignee: Siltectra GmbH
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer physischen Modifikation, insbesondere eines Gitterdefekts oder zum lokalen Verändern der Festigkeit, in einem Festkörper, insbesondere einem Ingot oder einem Wafer. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mindestens die Schritte: – Bereitstellen des zu behandelnden Festkörpers (2), – Bereitstellen einer Strahlungsquellenanordnung (4) zum Erzeugen von mindestens einem Lichtstrahl (6), – Bereitstellen einer Optik (8), wobei die Optik (8) mindestens zwei Umlenkelemente (10, 12) zum Umlenken von Lichtstrahlanteilen (16, 18) aufweist, – Erzeugen und Emittieren mindestens eines Lichtstrahls (6) durch die Strahlungsquellenanordnung (4), – Umlenken zumindest zweier voneinander verschiedener Lichtstrahlanteile (16, 18) des emittierten Lichtstrahls (6) mittels der Umlenkelemente (10, 12), wobei die Lichtstrahlanteile (16, 18) derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper (2) eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile (16, 18) in einem Fokus (20) innerhalb des Festkörpers (2) zusammentreffen und die physische Modifikation (1), insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus (2) zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile (16, 18) erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der LASER-Behandlung von Festkörpern, insbesondere zur Erzeugung von dünnen Festkörperschichten, wie z. B. Wafern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß Anspruch 1 auf ein Verfahren zum Erzeugen von physischen Modifikationen in Festkörperschichten und gemäß Anspruch 15 auf ein Verfahren zum Herstellen von Festkörperschichten.
In vielen technischen Bereichen (z. B. Mikroelektronik- oder Photovoltaiktechnologie) werden Materialien, wie z. B. Silizium, Germanium oder Saphir, häufig in der Form dünner Scheiben und Platten (so genannte Wafer) verwendet. Standardmäßig werden solche Wafer derzeit durch Sägen aus einem Ingot hergestellt, wobei relativ große Materialverluste (”kerf-loss”) entstehen. Da das verwendete Ausgangsmaterial oft sehr teuer ist, gibt es starke Bestrebungen, solche Wafers mit weniger Materialaufwand und damit effizienter und kostengünstiger herzustellen.
Beispielsweise gehen mit den derzeit üblichen Verfahren allein bei der Herstellung von Siliziumwafern für Solarzellen fast 50% des eingesetzten Materials als ”kerf-loss” verloren. Weltweit gesehen entspricht dies einem jährlichen Verlust von über 2 Milliarden Euro. Da die Kosten des Wafers den größten Anteil an den Kosten der fertigen Solarzelle ausmachen (über 40%), könnten durch entsprechende Verbesserungen der Waferherstellung die Kosten von Solarzellen signifikant reduziert werden.
Besonders attraktiv für eine solche Waferherstellung ohne kerf-loss (”kerf-free wafering”) erscheinen Verfahren, die auf das herkömmliche Sägen verzichten und z. B. durch Einsatz von temperaturinduzierten Spannungen direkt dünne Wafer von einem dickeren Werkstück abspalten können. Dazu gehören insbesondere Verfahren, wie sie z. B. in PCT/US2008/012140 und PCT/EP2009/067539 beschrieben sind, wo zum Erzeugen dieser Spannungen eine auf das Werkstück aufgetragene Polymerschicht verwendet wird.
Die Polymerschicht weist bei den erwähnten Verfahren einen im Vergleich zum Werkstück um ungefähr zwei Größenordnungen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Außerdem kann durch Ausnutzen eines Glasübergangs ein relativ hoher Elastizitätsmodul in der Polymerschicht erreicht werden, so dass im Schichtsystem Polymerschicht-Werkstück durch Abkühlen genügend große Spannungen induziert werden können, um die Abspaltung von Wafer vom Werkstück zu ermöglichen.
Beim Abspalten eines Wafers vom Werkstück haftet bei den erwähnten Verfahren jeweils auf einer Seite des Wafers noch Polymer an. Der Wafer krümmt sich dabei sehr stark in Richtung dieser Polymerschicht, was ein kontrolliertes Abspalten erschwert, und z. B. zu Dickenschwankungen des abgespaltenen Wafers führen kann. Außerdem erschwert die starke Krümmung die weitere Verarbeitung und kann sogar zum Zerbrechen des Wafers führen.
Bei Verwendung der Verfahren nach bisherigem Stand der Technik weisen die hergestellten Wafer üblicherweise jeweils größere Dickenschwankungen auf, wobei die räumliche Dickenverteilung häufig ein Muster mit vierzähliger Symmetrie zeigt. Die totale Dickenschwankung über den ganzen Wafer gesehen (”total thickness variation”, TTV) beträgt bei Verwendung der bisherigen Verfahren häufig mehr als 100% der mittleren Waferdicke (ein Wafer von bspw. 100 Mikrometer mittlerer Dicke, der z. B. an seiner dünnsten Stelle 50 Mikrometer dick und an seiner dicksten Stelle 170 Mikrometer dick ist, hat ein TTV von 170 – 50 = 120 Mikrometer, was relativ zu seiner mittleren Dicke einer totalen Dickenschwankung von 120% entspricht). Wafer mit solch starken Dickenschwankungen sind für viele Anwendungen nicht geeignet. Außerdem liegen bei den am häufigsten auftretenden vierzähligen Dickenverteilungsmustern die Bereiche mit den größten Schwankungen unglücklicherweise in der Mitte des Wafers, wo sie am meisten stören.
Außerdem entstehen beim Verfahren nach aktuellem Stand der Technik während der Bruchpropagation beim Abspalten selbst unerwünschte Oszillationen in den beteiligten Schichtsystemen, die den Verlauf der Bruchfront ungünstig beeinflussen und insbesondere zu signifikanten Dickenschwankungen des abgespaltenen Wafers führen können.
Zudem ist es bei den bisherigen Verfahren schwierig, einen reproduzierbar guten Wärmekontakt über die ganze Fläche der Polymerschicht sicherzustellen. Lokal ungenügender Wärmekontakt kann aber aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit der verwendeten Polymere zu ungewollten, signifikanten lokalen Temperaturabweichungen im Schichtsystem führen, was sich seinerseits negativ auf die Kontrollierbarkeit der erzeugten Spannungsfelder und damit die Qualität der hergestellten Wafer auswirkt.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 196 40 594 A1 ein Verfahren zur Trennung von Halbleitermaterialien mittels licht-induzierter Grenzflächenzersetzung und damit hergestellter Vorrichtungen, wie strukturierte und freistehende Halbleiterschichten und Bauelemente, bekannt. Das Verfahren gemäß der DE 196 40 594 A1 beinhaltet die Beleuchtung von Grenzflächen zwischen Substrat und Halbleiterschicht oder zwischen Halbleiterschichten, wodurch die Lichtabsorption an der Grenzfläche oder in einer dafür vorgesehenen Absorptionsschicht zur Materialzersetzung führt. Die Auswahl der Grenzfläche oder Halbleiterschicht, welche zur Zersetzung gebracht wird, erfolgt durch die Wahl der Lichtwellenlänge und Lichtintensität, die Einstrahlrichtung oder den Einbau einer dünnen Opferschicht während der Materialherstellung. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass zur Zerstörung ganzer Schichten hohe Energiedosen verwendet werden müssen, wodurch der Energiebedarf und somit die Kosten des Verfahrens sehr hoch sind.
Es wurde erkannt, dass bei der Verwendung einer Linse zur Fokussierung eines Lichtstrahls die Linse eine sehr große numerische Apertur aufweisen muss, wenn der Fokus minimal sein soll. Eine Zunahme der numerischen Apertur führt aber zu einer Abnahme der Eindringtiefe.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von physischen Modifikationen bereitzustellen, welches es erlaubt die physischen Modifikationen in tiefen Eindringtiefen in einem Festkörper vorzunehmen. Ferner soll ein Verfahren zur Festkörperschichtenherstellung bereitgestellt werden, welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von physischen Modifikationen zumindest teilweise umfasst.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen einer physischen Modifikation, insbesondere zur Erzeugung eines Gitterdefekts oder zum lokalen Verändern der Festigkeit, in einem Festkörper gelöst. Das erfindungsgemäße Physische-Modifikation-Erzeugungs-Verfahren umfasst bevorzugt mindestens die Schritte: Bereitstellen des zu behandelnden Festkörpers, Bereitstellen einer Strahlungsquellenanordnung zum Erzeugen von mindestens einem Lichtstrahl, bevorzugt werden zeitgleich mehrere Lichtstrahlen von der Strahlungsquellenanordnung, insbesondere von mehreren Strahlenquellen der Strahlungsquellenanordnung emittiert. Bereitstellen einer Optik, wobei die Optik mindestens zwei Umlenkelemente zum Umlenken von Lichtstrahlanteilen aufweist, Erzeugen und Emittieren mindestens eines Lichtstrahls durch die Strahlungsquellenanordnung, Umlenken zumindest zweier voneinander verschiedener Lichtstrahlanteile des emittierten Lichtstrahls mittels der Umlenkelemente, wobei die Lichtstrahlanteile derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile in einem Fokus innerhalb des Festkörpers zusammentreffen und die physische Modifikation, insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile erzeugt wird oder Erzeugen und Emittieren mindestens zweier Lichtstrahlen durch die Strahlungsquellenanordnung, Umlenken der Lichtstrahlen (6) mittels der Umlenkelemente, wobei die Lichtstrahlen derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlen in einem Fokus innerhalb des Festkörpers zusammentreffen und die physische Modifikation, insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlen erzeugt wird.
Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da durch den Einsatz von mehreren Umlenkmitteln, insbesondere Spiegeln oder Halbspiegeln, die mehreren voneinander getrennten Lichtstrahlanteile eines Lichtstrahls oder mehrerer Lichtstrahlen gegenüber z. B. einer Sammellinse jeweils in einem deutlich steileren Winkel in Richtung der Festkörperoberfläche, über welche die Lichtstrahlenanteile in den Festkörper eindringen, geleitet werden können. Die voneinander getrennten Lichtstrahlanteile können sich dadurch auch in einem steileren Winkel innerhalb des Festkörpers fortsetzen. Je steiler der Winkel ist, in dem sich die Lichtstrahlenanteile gegenüber der Eindringoberfläche innerhalb des Festkörpers fortsetzen, desto kürzer ist der von den Lichtstrahlen zu einem bestimmten Punkt, insbesondere Fokus oder Brennpunkt, in der Tiefe des Festkörpers, an dem die physische Modifikation des Festkörpers erzeugt werden soll, zurückzulegende Weg der Lichtstrahlenanteile. Je kürzer hierbei der erforderliche Weg im Inneren des Festkörpers ist, desto weniger Energie muss aufgewendet werden, um die physische Modifikation zu bewirken.
Der Festkörper bzw. das Werkstück weist bevorzugt ein Material oder eine Materialkombination aus einer der Hauptgruppen 3, 4 und 5 des Periodensystems der Elemente auf, wie z. B. Si, SiC, SiGe, Ge, GaAs, InP, GaN, Al₂O₃ (Saphir), AlN. Besonders bevorzugt weist der Festkörper eine Kombination aus in der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems vorkommenden Elementen auf. Denkbare Materialien oder Materialkombinationen sind dabei z. B. Galliumarsenid, Silizium, Siliziumcarbid, etc. Weiterhin kann der Festkörper eine Keramik (z. B. Al₂O₃ – Alumiumoxid) aufweisen oder aus einer Keramik bestehen, bevorzugte Keramiken sind dabei z. B. Perovskitkeramiken (wie z. B. Pb-, O-, Ti/Zr-haltige Keramiken) im Allgemeinen und Blei-Magnesium-Niobate, Bariumtitanat, Lithiumtitanat, Yttrium-Aluminium-Granat, insbesondere Yttrium-Aluminium-Granat Kristalle für Festkörperlaseranwendungen, SAW-Keramiken (surface acoustic wave), wie z. B. Lithiumniobat, Galliumorthophosphat, Quartz, Calziumtitanat, etc. im Speziellen. Der Festkörper weist somit bevorzugt ein Halbleitermaterial oder ein Keramikmaterial auf bzw. besonders bevorzugt besteht der Festkörper aus mindestens einem Halbleitermaterial oder einem Keramikmaterial. Es ist weiterhin denkbar, dass der Festkörper ein transparentes Material aufweist oder teilweise oder vollständig oder mehrheitlich, insbesondere volumen- und/oder massemäßig mehrheitlich, aus einem transparenten Material, wie z. B. Saphir, besteht bzw. gefertigt ist. Weitere Materialien, die hierbei als Festkörpermaterial alleine oder in Kombination mit einem anderen Material in Frage kommen, sind z. B. „wide band gap”-Materialien, InAlSb, Hochtemperatursupraleiter, insbesondere seltene Erden Cuprate (z. B. YBa2Cu3O7). Es ist zusätzlich oder alternativ denkbar, dass der Festkörper eine Photomaske ist, wobei als Photomaskenmaterial im vorliegenden Fall bevorzugt jedes zum Anmeldetag bekannte Photomaskenmaterial und besonders bevorzugt Kombinationen daraus verwendet werden können.
Die Strahlungsquellenanordnung weist bevorzugt eine oder mehrere Strahlungsquellen auf, wobei bevorzugt mindestens eine Strahlungsquelle und bevorzugt mehrere oder alle Strahlungsquellen als Laser, insbesondere als ein oder mehrere Pikosekundenlaser oder Femtosekundenlaser, ausgeführt sind. Mittels der Strahlungsquelle, insbesondere mittels dem Laser bzw. Pikosekunden-Laser oder Femtosekunden-Laser, wird das Material des Festkörpers in einer bestimmten Tiefe verändert bzw. physisch modifiziert. Die Strahlungsquellenanordnung kann auch eine Vorrichtung zum Umwandeln der Wellenlängen der einen oder mehreren Strahlungsquellen beinhalten. Dabei wird zum Beispiel durch einen optisch-parametrischen Oszillator (OPO), einen optisch-parametrischen Verstärker (OPA) oder nichtlineare und doppelbrechende Kristalle, wie Kaliumtriphosphat (KTP), Beta-Barium-Borat (BBO) oder ähnliche bekannte Kristalle zur Frequenz-verdopplung oder -vervielfachung eine einlaufende Lichtwelle zum Teil in eine Lichtwelle anderer Wellenlänge umgewandelt, die darauf durch Filter oder wellenlängenabhängige optische Elemente, wie Beugungsgitter, dielektrische Schichtsysteme oder Filter und dichroitische Spiegel isoliert werden kann.
Weiter bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und/oder der nachfolgenden Beschreibungsteile.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden durch die Strahlungsquellenanordnung zeitgleich mehrere Lichtstrahlen erzeugt und emittiert und es werden zumindest zwei voneinander verschiedene Lichtstrahlanteile mindestens eines emittierten Lichtstrahls, insbesondere die Lichtstrahlenanteile mehrerer emittierter Lichtstrahlen, oder die mehreren emittierten Lichtstrahlen mittels der Umlenkelemente umgelenkt. Die Lichtstrahlanteile werden dabei bevorzugt derart umgelenkt, dass sie in den Festkörper eindringen. Die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile treffen dabei in einem Fokus innerhalb des Festkörpers zusammen und die physische Modifikation, insbesondere in Form eines Gitterdefekts, wird durch die im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile erzeugt. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da mit der Zunahme der Lichtstrahlenanteile oder der Lichtstrahlen eine Erhöhung der im Fokus abgebbaren Energie bewirkbar ist. Die einzelnen Lichtstrahlenanteile können dabei bevorzugt jeweils eine Energie beinhalten, die beim Durchdringen des Festkörpers nicht für eine Schädigung des Materials des Festkörpers ausreicht. Durch die Fokussierung der einzelnen Lichtstrahlenanteile in einem Punkt erfolgt jedoch eine Addition bzw. Aggregation von zumindest Teilenergien der einzelnen Lichtstrahlenanteile. Die sich durch die Aggregation im Fokus ergebende Energie reicht dann zur physischen Modifikation des Festkörpers aus.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden bei mehreren zeitgleich erzeugten Lichtstrahlen mindestens zwei Lichtstrahlen und bevorzugt alle Lichtstrahlen in voneinander verschiedene, insbesondere unterschiedliche Wege zurücklegende, und an voneinander beabstandeten Oberflächenanteilen des Festkörpers in den Festkörper eindringende Lichtstrahlanteile aufgeteilt. Die Lichtstrahlanteile zumindest eines Lichtstrahls oder eines jeweiligen Lichtstrahl werden dabei bevorzugt mittels voneinander verschiedener Umlenkelemente umgelenkt. Bevorzugt sind mindestens, höchsten oder genau zwei, mindestens, höchsten oder genau drei, mindestens, höchsten oder genau vier, mindestens, höchsten oder genau fünf, mindestens, höchsten oder genau sechs Umlenkelemente, insbesondere je Lichtstrahlanteil oder je Lichtstrahl, vorgesehen. Besonders bevorzugt korreliert die Anzahl der Umlenkelemente bevorzugt mit der Anzahl der zeitgleich emittierten Lichtstrahlen. Es kann somit z. B. sein, dass je Lichtstrahl mindestens, höchstens oder genau 1 Umlenkelement, mindestens, höchstens oder genau 2 Umlenkelemente, mindestens, höchstens oder genau 3 Umlenkelemente, mindestens, höchstens oder genau 4 Umlenkelemente, mindestens, höchstens oder genau 5 Umlenkelemente, mindestens, höchstens oder genau 6 Umlenkelemente, mindestens, höchstens oder genau 10 Umlenkelemente, insbesondere zum Umlenken der Lichtstrahlanteile des jeweiligen Lichtstrahls, vorgesehen sind. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch die verschiedenen Umlenkelemente der Abstand der Eintrittspunkte, an denen die einzelnen Lichtstrahlanteile in den Festkörper eindringen, gegenüber einer Sammellinse reduziert werden kann. Bevorzugt ist der Abstand der Eintrittspunkte um weniger als oder um genau ein Zehntel, um weniger als oder um genau ein Achtel, um weniger als oder um genau ein Siebtel, um weniger als oder um genau ein Sechstel, um weniger als oder um genau ein Fünftel, um weniger als oder um genau ein Viertel, um weniger als oder um genau die Hälfte, um weniger als oder um genau zwei Drittel, um weniger als oder um genau drei Viertel geringer als der bei der Verwendung einer idealen Sammellinse auftretende Abstand zwischen den Eintrittspunkten, beim Erzeugen einer physischen Modifikation an derselben Stelle im Inneren des Festkörpers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Laserstrahl, insbesondere der Pikosekunden-Laserstrahl oder der Femtosekunden-Laserstrahl, eine Wellenlänge auf, die in Abhängigkeit von dem Material des Festkörpers derart konfiguriert ist, dass die Laserstrahlanteile, insbesondere des Pikosekunden-Laserstrahls oder des Femtosekunden-Laserstrahls, mehrere Hundert μm in den Festkörper eindringt. Der Fokus mehr als 200 μm und bevorzugt mehr als 300 μm und besonders bevorzugt mehr als 1000 μm und höchst bevorzugt von mehr als 1200 μm, insbesondere zwischen 1200 μm und 1800 μm, wie z. B. genau oder bis zu 1300 μm, 1400 μm, 1500 μm, 1600 μm, 1700 μm, von einer Eindringoberfläche des Festkörpers beabstandet erzeugbar ist, wobei zumindest einzelne Lichtstrahlanteile über die Eindringoberfläche zum Erzeugen der physischen Modifikation in den Festkörper eindringen. Es ist hierbei ebenfalls denkbar, dass die Eindringtiefe bis zu 0,1 cm oder mehr als 0,1 cm oder bis zu 0,5 cm oder mehr als 0,5 cm oder bis zu 1 cm oder mehr als 1 cm oder bis zu 2 cm oder mehr als 2 cm oder bis zu 3 cm oder mehr als 3 cm oder bis zu 4 cm oder mehr als 4 cm beträgt.
Damit der Laser mehrere Hundert μm in das Material eindringen kann, ist es vorteilhaft eine Wellenlänge des Lasers zu benutzen, bei der das Material wenig Energie absorbiert. Bei Halbleitern sind das bevorzugt Wellenlängen von Photonen, deren Energie kleiner als die Bandlücke ist. Damit ergibt sich eine Materialabhängigkeit der vorteilhaften Wellenlänge. Um dennoch eine ausreichende Energieabsorption in der gewünschten Tiefe zu erreichen, werden bevorzugt z. B. nichtlineare Absorptionsprozesse (Mehrphotonenanregungen) ausgenutzt. Dies geschieht bevorzugt, indem im Fokus des Lasers die kritische Photonenkonzentration für das Ablaufen des nichtlinearen Prozesses erreicht ist und in allen anderen Teilen des Strahlengangs des Lasers die Konzentration dafür zu klein ist. Damit wird gewährleistet, dass die Veränderung im Material bevorzugt genau nur im Fokus des Laserstrahls stattfindet, unabhängig davon in welcher Tiefe des Materials dieser Fokus gesetzt wird. Die physische Modifikation stellt im Rahmen der vorliegenden Erfindung z. B. das Erzeugen eines Gitterdefekt im Festkörper dar, besonders bevorzugt erfolgt bei der physischen Modifikation im Fokus oder im Bereich des Fokus eine Amorphisierung des Festkörpermaterials. Bevorzugt resultiert die physische Modifikation aus dem Zusammentreffen der einzelnen sich bevorzugt in Phase befindender Lichtstrahlenanteile. Besonders bevorzugt ergibt sich durch das Zusammentreffen der Lichtstrahlenanteile zumindest ein Effekt und bevorzugt mehrere Effekte (insbesondere zeitgleich) ausgewählt aus der Gruppe zumindest bestehend aus einer Multiphotonenabsorbtion, einer Avalanche Ionisation (Lawinenionisation) und/oder einer Nanoexplosion und/oder eine Phasenumwandlung des beaufschlagten Festkörpers durch die eingebrachten Lichstrahlenanteile, welche die physische Modifikation bewirkt, z. B. durch einen Übergang von kristalliner Struktur zu einer amorphen Phase und/oder einer Umwandlung einer Verbindung in getrennt atomare Phasen, insbesondere bei der Trennung von SiC in Si und C). Bevorzugt lassen sich so vertikale Schädigungsausdehnungen bzw. Ausdehnungen der physischen Modifikation von weniger als 100 μm, bevorzugt von weniger als 50 μm und bevorzugt von weniger als 20 μm und besonders bevorzugt von weniger als 10 μm erreichen. Die im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile erzeugen bzw. bewirken besonders bevorzugt eine Nanoexplosion, durch welche die physische Modifikation bewirkt wird. Besonders bevorzugt besteht der von der Lichtquellenanordnung emittierte Lichtstrahl aus kohärentem Licht und die Lichtwellen der im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlanteile weisen bevorzugt die gleiche Phase und/oder die gleiche Frequenz auf.
Der Fokus wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Überlagerungsanteil von zumindest zwei sich kreuzenden Lichtstrahltaillen erzeugt, wobei die Lichtstrahltaillen durch die Lichtstrahlanteile erzeugt werden. Dies ist vorteilhaft, da die Lichtstrahlentaillen eine längliche Grundform aufweisen und der sich bei einer Kreuzung der Lichtstrahlentaillen ergebende Überlagerungsbereich eine geringere Länge aufweist als eine einzelne Lichtstrahltaille. Es sind gemäß dieser Ausführungsform somit äußerst kleine physische Modifikationen bewirkbar. Dies ist wiederum vorteilhaft, da die Gesamtheit der physischen Modifikationen so eine sehr feine Rissführungsschicht ausbilden kann und die sich infolge eines Risses ergebenden Oberflächen eine sehr geringe Rauheit aufweisen kann.
Ferner wurde erkannt, dass zum Erzeugen von Festkörperschichten der Fokus von Lichtstrahlen in einem Festkörper möglichst klein sein sollte, da sich in Abhängigkeit der Fokusgröße die Größe einer physischen Modifikation ergibt. Je größer die physikalische Modifikation ist, desto mehr Energie ist zu deren Erzeugung erforderlich und desto unebener ist die Oberfläche einer entlang einer Vielzahl an solchen physischen Modifikationen abgetrennten Festkörperschicht.
Die Optik weist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens ein Lichtstrahlaufspaltmittel, insbesondere einen Halbspiegel bzw. einen Strahlteiler, auf und mindestens ein Lichtstrahl wird mittels dem mindestens einen Lichtstrahlaufspaltmittel in mindestens zwei Lichtstrahlanteile aufgespalten. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da insbesondere bei Verwendung genau oder nur einer Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, die zur physischen Modifikation erforderlichen Lichtstrahlanteile mittels eines Ursprungslichtstrahls erzeugt werden können. Selbstverständlich ist hierbei denkbar, dass der mindestens oder genau eine Lichtstrahl der Strahlungsquelle bzw. der Ursprungslichtstrahl in mehr als zwei Lichtstrahlanteile aufgespalten wird oder dass mehrere Lichtquellen zum Erzeugen mehrere Lichtstrahlen bzw. Ursprungslichtstrahlen, die bevorzugt zumindest teilweise in Lichtstrahlenanteile aufgespalten werden, vorgesehen sind.
Das Lichtstrahlaufspaltmittel kann dichroitisch sein, d. h. es können durch dielektrische Mehrschichtsysteme z. B. ein Wellenlängenbereich reflektiert und der andere transmittiert werden. Das Lichtstrahlaufspaltmittel kann auch ein polarisierender Strahlteiler sein, der einen Strahl transmittiert, Licht mit dazu senkrechter Polarisation jedoch reflektiert.
Darüberhinaus kann das Lichtstrahlaufspaltmittel auch aus einem Beugungsgitter bestehen, das unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichem Winkel reflektiert, was besonders die Aufteilung von mehr als zwei Wellenlängen vorteilhaft ermöglicht.
Das Lichtstrahlaufspaltmittel kann auch als akusto-optischer Modulator (AOM) ausgebildet sein, was besonders schnelle Schaltzeiten in Abhängigkeit vom Verlauf der Erzeugung der physischen Modifikationen im Festkörper ermöglicht.
Das Lichtstrahlaufspaltmittel kann auch ein konvexer Spiegel sein dessen Reflexion daraufhin von konkaven Elementen oder Hohlspiegeln darauf kollimiert wird. Es kann sich auch um zwei ebene Spiegel in einem Winkel zueinander angeordnet handeln, die die darauf fallenden Lichtstrahlanteile in unterschiedliche Richtungen ablenken. Konkave Elemente wie Hohlspiegel oder Parabolspiegel, insbesondere off-axis-Parabolspiegel, können darauf sowohl als Umlenkmittel als auch zur Fokussierung und Bündelung der Lichtstrahlanteile dienen. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft, da reflektierende Elemente zur Lichtstrahlanteil-Fokussierung von hohen Lichtintensitäten nicht in gleicher Weise beschädigt werden wie Linsen oder diffraktive Elemente, bei denen der Lichtstrahl Material durchlaufen muss und absorbiert werden kann. Darüberhinaus sind reflektive Elemente wie Hohl- oder Parabolspiegel inhärent achromatisch, d. h. alle Wellenlängen werden von ihnen im selben Brennpunkt fokussiert. Dies ist insbesondere vorteilhaft wenn die Lichtstrahlanteile unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und dennoch vom selben Element fokussiert werden sollen. Ebenso kann eine Anordnung, die einem Schwarzschild-Objektiv entspricht, als Element zur Fokussierung der Lichtstrahlanteile verwendet werden. In reflektiven Objektiv in der Schwarzschild-Konfiguration wird eine Kombination von einem konvexen und einem konkaven Spiegel verwendet um einen eintretenden, kollimierten Lichtstrahl in einem Brennpunkt zu bündeln. Solche reflektiven Elemente und Objektive sind einerseits vorteilhaft, da sie zu geringeren Kosten als herkömmliche Objektive für die Materialbearbeitung verfügbar sind und andererseits auch größere Aperturen aufweisen können, die sowohl die Fokussierung des Strahls begünstigen können als auch eine geringere Lichtintensität pro Fläche des Lichtstrahlquerschnitts ermöglichen. Dies ist vorteilhaft, da bei hohen Lichtintensitäten in vielen Objektiven Material, das vom Lichtstrahl durchlaufen wird, durch Mehrphotonenanregung bei hohen Intensitäten geschädigt werden kann. Dies kann sowohl das im Objektiv verwendete Glas als auch der die einzelnen im Objektiv verbauten optischen Elemente zusammenhaltende Haftvermittler sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtstrahl mittels einem Lichtstrahlaufspaltmittel, insbesondere einem Halbspiegel, in zumindest zwei Lichtstrahlanteile aufgespalten, wobei ein Lichtstrahlanteil mittels mindestens zweier Umlenkelemente, insbesondere Spiegel, derart umgelenkt wird, dass er mit dem anderen Lichtstrahlaufspaltmittel im Inneren des Festkörpers zum Bilden eines Fokus zum Erzeugen der physischen Modifikation zusammentrifft. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da der Lichtstrahlanteil oder die Lichtstrahlanteile sehr steil gegenüber der Oberfläche, über welche der jeweilige Lichtstrahlanteil in den Festkörper eindringt, ausgerichtet sind, insbesondere in einem Winkel von genau oder mehr als 45° oder von genau oder mehr als 60° oder von genau oder mehr als 70° oder von genau oder mehr als 75° oder von genau oder mehr als 80° oder von genau oder mehr als 85° oder von bis zu 90° oder von genau 90° gegenüber dem Festkörper bzw. der Eindringoberfläche orientiert ist/sind. Es ist hierbei denkbar, dass unterschiedliche Lichtstrahlenanteile mit voneinander verschiedenen Winkeln beim Eindringen in den Festkörper gegenüber der Eindringoberfläche orientiert sind.
Eine Vielzahl physischer Modifikationen wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt, wobei die physischen Modifikationen eine Ebene und/oder eine Kontur und/oder eine Silhouette und/oder die äußere Gestalt eines Körpers bilden. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da eine beliebige Rissführung durch die physischen Modifikationen vorgebbar ist. Die physischen Modifikationen können mit unterschiedlichen Abständen zur Eindringoberfläche innerhalb des Festkörpers erzeugt werden, wodurch sich die Konturen oder Silhouetten von Volumenkörpern, insbesondere von Linsen, beschreiben lassen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die physische Modifikation derart erzeugt, dass eine Schwächung des Festkörpers in einer zur Längsrichtung des Festkörpers geneigten Richtung zumindest gleich stark ist, wie in Längsrichtung des Festkörpers. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da z. B. durch die Ausbildung bzw. Erzeugung mehrerer physischer Modifikationen in der geneigten Richtung eine Schwächungsebene bzw. Schwächungsschicht innerhalb des Festkörpers erzeugbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die durch die physische Modifikation bewirkte Schwächung des Festkörpers in Längsrichtung des Festkörpers schwächer als in einer gegenüber der Längsrichtung geneigten Richtung, wobei die geneigte Richtung gegenüber der Längsrichtung des Festkörpers in einem Winkel von mehr als 70° bevorzugt von mehr als 80° und besonders bevorzugt von im Wesentlichen oder genau 90° geneigt ist. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da bereits durch die individuelle Gestalt der einzelnen physischen Modifikationen eine Rissausbreitung innerhalb des Festkörpers in der geneigt zur Längsachse des Festkörpers orientierten Richtung bzw. Ebene unterstützt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Lichtstrahlanteil oder zumindest ein Lichtstrahl durch ein als Parabolspiegel ausgebildetes Umlenkelement umgelenkt und fokussiert. Dies ist vorteilhaft, da eine Vielzahl an Problemen bestehender Fokussierungen mittels Objektiv gelöst werden. Bekannte Objektive werden hohen Intensitäten ausgesetzt, wodurch eine hohe Stabilität und Beständigkeit der Objektive erforderlich ist. Die hohen Intensitäten bewirken jedoch häufig eine Alterung des Glaskörpers des Objektivs und eines Klebers, sollte das Objektiv mit Linsen oder anderen optischen Elementen gekoppelt sein. Die Alterung des Glases und des Klebers erfordert somit Stillstandszeiten, Reparaturen bzw. Komponentenaustausch sowie hohe Anforderungen an die Prozessüberwachung. Die genannte Ausführungsform stellt hingegen eine deutliche Verbesserung dar, da ein Parabolspiegel inhärent achromatisch ist, wodurch alle Wellenlängen in den gleichen Punkt fokussiert werden Ferner besteht nur ein geringes Risiko für Alterungserscheinungen, da keine Transmission von hohen Intensitäten erfolgt und kein Kleber erforderlich ist. Weiterhin kann der Parabolspiegel optional beschichtet sein, insbesondere dielektisch beschichtet sein. Ferner sind Parabolspiegel günstiger als Objektive und in der Regel leichter.
Der zumindest eine Lichtstrahlanteil oder der zumindest eine Lichtstrahl durchdringt vor der Umlenkung durch ein Umlenkelement, insbesondere den Parabolspiegel, und bevorzugt Fokussierung eine Strahlformungseinrichtung, insbesondere ein 1D-Teleskop, zum Verändern der Fokusform. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da sich eine Strahlformung vor dem fokussierenden Element auf die Form des Fokus auswirkt. Weiterhin wird durch einen vielfach, insbesondere 5-fach, kleineren Lichtstrahl ein vielfach, insbesondere 5-fach, größerer Fokus geschaffen. Alternativ zu einem größeren Fokus kann eine Linienform im Fokus mittels der 1D-Strahlformung ausgebildet werden. Dies erlaubt eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit, solange die Schwellintensität nicht unterschritten wird.
Durch die Strahlungsquellenanordnung werden gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens oder genau zwei Lichtstrahlen erzeugt, wobei die Lichtstrahlen derart in Abhängigkeit von der Bandlücke des Materials des Festkörpers mit voneinander verschiedenen Farben erzeugt werden, dass die Modifikation durch einen Zwei-Photonen-Prozess erzeugt wird. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei hohen Bandlücken vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch einen ersten Lichtstrahl ein erstes Laserfeld ausgebildet, wobei der erste Lichtstrahl Photonen mit einer ersten Energie aufweist, und durch einen zweiten Lichtstrahl wird ein zweites Laserfeld ausgebildet, wobei der zweite Laserstrahl Photonen mit einer zweiten Energie aufweist, wobei das erste Laserfeld schwächer als das zweite Laserfeld ist und die erste Energie größer ist als die zweite Energie. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da die kritische Intensität für einen Zwei-Photonen-Prozess besser erreicht werden kann, indem man ein relativ schwaches Laserfeld mit Photonen knapp unterhalb der Bandlückenenergie und zusätzlich ein stärkeres Laserfeld mit niederenergetischen Photonen nutzt, die dann in einem Zwei-Photonen-Prozess die Bandlücke überwinden. Dier kombinierte Wirkungsquerschnitt kann hierbei auch besser sein als der für eine Fünf-Photonen-Absorption. Da die Bandlücke nur überwunden werden kann, wenn ein Photon mit hoher Energie mit einem Photon mit niedriger Energie zusammen kommt, die Größe des Fokuspunkts bzw. Fokusspots aber direkt mit der Wellenlänge skaliert, kann man auf diese Weise Zwei-Photonen-Prozesse in einem viel kleineren Volumen auftreten lassen als mit größeren Wellenlängen. Hieraus resultiert dann eine deutlich feinere Bearbeitungszone.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen von Festkörperschichten. Das Verfahren zum Herstellen von Festkörperschichten umfasst dabei bevorzugt mindestens die Schritte: Erzeugen von physischen Modifikationen in einem Festkörper gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, Anordnen einer Aufnahmeschicht zum Halten der Festkörperschicht an dem Festkörper, thermisches Beaufschlagen der Aufnahmeschicht zum, insbesondere mechanischen, Erzeugen von Spannungen in dem Festkörper, wobei sich durch die Spannungen ein Riss in dem Festkörper entlang der Ablöseebene ausbreitet, der die Festkörperschicht von dem Festkörper abtrennt.
Diese Lösung ist höchst vorteilhaft, da durch das mittels eines Risses erfolgende Abtrennen der Festkörperschicht deutlich geringere Materialverluste entstehen als bei einem spanenden Verfahren entstehen würden. Besonders bevorzugt besteht die Aufnahmeschicht aus einem Polymer, insbesondere aus Polydimethylsiloxane (PDMS), und wird bevorzugt derart temperiert, insbesondere abgekühlt, dass sie Spannungen in dem Festkörper erzeugt, die das Erzeugen und/oder Ausbreiten eines Risses in dem Festkörper bewirken. Bevorzugt wird die Aufnahmeschicht auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur bevorzugt unterhalb des Gefrierpunkts und besonders bevorzugt auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Materials der Aufnahmeschicht temperiert, insbesondere gekühlt.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Wafer hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 14.
Die Verwendung der Wörter „im Wesentlichen” definiert bevorzugt in allen Fällen, in denen diese Wörter im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden eine Abweichung im Bereich von 1%–30%, insbesondere von 1%–20%, insbesondere von 1%–10%, insbesondere von 1%–5%, insbesondere von 1%–2%, von der Festlegung, die ohne die Verwendung dieser Wörter gegeben wäre.
Einzelne oder alle Darstellungen der im Nachfolgenden beschriebenen Figuren sind bevorzugt als Konstruktionszeichnungen anzusehen, d. h. die sich aus der bzw. den Figuren ergebenden Abmessungen, Proportionen, Funktionszusammenhänge und/oder Anordnungen entsprechen bevorzugt genau oder bevorzugt im Wesentlichen denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Produkts, wobei die tatsächlichen Abmessungen, Proportionen, Funktionszusammenhänge und/oder Anordnungen von den gezeigten Abmessungen, Proportionen, Funktionszusammenhänge und/oder Anordnungen auch teilweise oder vollständig abweichen können.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Duschvorhänge dargestellt sind. Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtungen und Verfahren, welche in den Figuren wenigsten im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Bauteile bzw. Elemente nicht in allen Figuren beziffert oder erläutert sein müssen. Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Darin zeigt:
1 eine erste erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers;
2 eine zweite erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im inneren eines Festkörpers;
3 eine dritte erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers;
4 eine vierte erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers;
5 eine schematische Detaildarstellung der Erzeugung von physischen Modifikationen im inneren eines Festkörpers;
6a bis 6c die schematische Darstellung einer Festkörperschichterzeugung bzw. -abtrennung,
7 eine weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im inneren eines Festkörpers, wobei diese Anordnung mehrere Strahlungsquellen umfasst;
8 eine noch weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers, wobei die Anordnung einen Strahlteiler und eine Strahlformungseinrichtung aufweist;
9 eine schematische Darstellung einer Erzeugung einer Modifikation im Inneren des Festkörpers, wobei die Erzeugung durch zwei unterschiedlich gestaltete Lichtstrahlen bewirkt wird;
10 eine noch weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers, wobei die Anordnung einen Strahlteiler, eine Strahlformungseinrichtung und ein Fokussierelement aufweist;
11 eine noch weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers, wobei diese Anordnung mehrere Strahlungsquellen und mehrere Fokussierelemente umfasst; und
12 eine noch weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von physischen Modifikationen im Inneren eines Festkörpers, wobei gemäß dieser Anordnung ein Strahl mehrfach umgeleitet und in mehrere Anteile aufgeteilt wird, wobei die einzelnen Anteile jeweils mittels mindestens einem Fokussierelement fokussiert werden.
Gemäß 1 ist eine Anordnung zum Erzeugen von physischen Modifikationen 1, insbesondere Gitterdefekten oder lokalen Festigkeitsveränderungen, in einem Festkörper 2, insbesondere einem Ingot oder einem Wafer, gezeigt. Die Anordnung umfasst dabei mindestens eine Einrichtung zum Bereitstellen des zu behandelnden Festkörpers 2, eine Strahlungsquellenanordnung 4 zum Erzeugen von mindestens einem Lichtstrahl 6 und eine Optik 8, wobei die Optik 8 bevorzugt mindestens zwei Umlenkelemente 10, 12 zum Umlenken von Lichtstrahlanteilen 16, 18 aufweist. Die Strahlungsquellenanordnung 4, erzeugt und emittiert dabei mindestens einen Lichtstrahl 6, der durch definiert angeordnete Umlenkelemente umgelenkt wird. Definiertes Umlenken bedeutet hierbei bevorzugt das Umlenken zumindest zweier voneinander verschiedener Lichtstrahlanteile 16, 18 des emittierten Lichtstrahls 6 mittels der Umlenkelemente 10, 12, wobei die Lichtstrahlanteile 16, 18 derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper 2 eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile 16, 18 in einem Fokus 20 innerhalb des Festkörpers 2 zusammentreffen und die physischen Modifikationen 1, insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus 2 zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile 16, 18, insbesondere nacheinander, erzeugt werden. Ein, genau ein oder mehr als ein Umlenkelement, insbesondere das erste Umlenkelement 10 auf das der Lichtstrahl trifft, ist bevorzugt als Lichtstrahlaufspaltmittel 33, insbesondere als Halbspiegel, ausgebildet und lenkt daher besonders bevorzugt nur einen Teil des auf in treffenden Lichtes um. Die Bezugszeichen 27 kennzeichnen die Stellen auf der Oberfläche 26, insbesondere Eindringoberfläche, des Festkörpers 2, an denen die Lichtstrahlanteile 16, 18 in den Festkörper 2 eindringen. Je nach Brechungsindex des Festkörpermaterials kann sich die Richtung der Lichtstrahlen 16, 18 im Inneren des Festkörpers 2 von der Ausbreitungsrichtung außerhalb des Festkörpers 2 unterscheiden oder identisch dazu sein.
Die Anordnung bzw. das durch die Anordnung ermöglichte Verfahren ist vorteilhaft, da die Lichtstrahlanteile 16, 18 gegenüber einer Anordnung mit Sammellinse tiefer in den Festkörper eindringen können. Ferner lässt sich durch die beschriebene Anordnung ein sehr präziser Fokus erzeugen.
Es erfolgt somit bevorzugt eine Aufteilung eines Laserstrahls in mindestens zwei besonders bevorzugt für sich energetisch unterkritische Strahlpakete. Die einzelnen Strahlpakete werden dabei einzeln fokussiert. Über eine günstige Einstellung der Optik, werden die Strahlpakete in der gewünschten Tiefe des Materials zur Überlagerung gebracht. Die Superposition dabei zu einer Überschreitung einer Schwellenenergie für die Materialmodifikation bzw. zur physischen Modifikation.
2 zeigt eine Anordnung entsprechend der Darstellung der 1, wobei die Optik 8 gegenüber dem Festkörper 2 in eine Endstellung verfahren ist. Gemäß dieser Darstellung verbleibt in der Verfahrrichtung kein weiterer Anteil der Oberfläche 26, über den der zweite Strahlenanteil 18 in den Festkörper 2 eindringen kann. Es ist hierbei jedoch denkbar, dass über eine weitere, gegenüber der ersten Eindringoberfläche 26 geneigte, Eindringoberfläche 28 die ersten und/oder die zweiten Lichtstrahlanteile 10, 12 in den Festkörper 2 zum Erzeugen der physischen Modifikationen 1 eindringen können.
Gemäß 3 wird der zweite Lichtstrahlanteil 18 durch das Lichtstrahlaufspaltmittel 33, insbesondere mindestens oder genau einen Halbspiegel, bevorzugt unmittelbar derart in Richtung des Festkörpers 2 geleitet, dass er im Fokus 20 mit dem ersten Lichtstrahlanteil 16 zum Erzeugen der physischen Modifikation/en 1 zusammentrifft.
4 entspricht im Wesentlichen der 2, wobei der Festkörper 2 bevorzugt im Bereich einer Ablöseebene 38 derart behandelt, insbesondere spanend behandelt, insbesondere geschliffen, ist, dass eine Sollbruchstelle zum Einleiten eines Risses in den Festkörper 2 geschaffen wird. Das Bezugszeichen 42 kennzeichnet hierbei eine erste, insbesondere vollständige, Schleifkannte und das Bezugszeichen 44 kennzeichnet bevorzugt eine zweite, insbesondere teilweise, Schleifkante. Die Schleifkante 42 dient somit bevorzugt zum Ablösen der einerseits der Ablöseebene 38 angeordneten Festkörperanteilen von den andererseits der Ablöseebene 38 angeordneten Festkörperanteilen. Die Schleifkante 44 ist bevorzugt ein Teil einer ehemaligen Sollbruchstelle, wobei bevorzugt ein sich an die Oberfläche 26 zuvor anschließender Festkörperanteil (nicht gezeigt) bereits abgespalten wurde.
5 zeigt eine schematische Detaildarstellung der Erzeugung von physischen Modifikationen 1 im Inneren eines Festkörpers 2. Der erste Lichtstrahlanteil 16 bildet innerhalb des Festkörpers 2 eine erste Lichtstrahltaille 30 aus und der zweite Lichtstrahlanteil 18 bildet innerhalb des Festkörpers 2 eine zweite Lichtstrahltaille 32 aus. Die beiden Lichtstrahltaillen 30 und 32 überlagern sich dabei partiell, wodurch im Überlagerungsbereich, insbesondere im Fokus 20, eine gegenüber den anderen Bereichen erhöhte Energiemenge vorliegt, die zur Erzeugung der physischen Modifikation 1 dient.
Die physischen Modifikationen 1 können hierbei zur Schaffung bzw. Definition einer Rissausbreitungsebene 38 erzeugt werden. Eine solche Rissausbreitungsebene 38 kann z. B. zum Wafering, d. h. dem Herstellen von Rohwafern, oder z. B. zum Abdünnen des Materials einer Festkörperschicht 2 verwendet werden.
In 6a ist ein Festkörper 2 bzw. ein Substrat bzw. ein Werkstück, insbesondere ein Wafer, gezeigt, der bzw. das im Bereich einer Strahlungsquellenanordnung 4, insbesondere mit mindestens einer Strahlungsquelle oder mehrerer Strahlungsquellen, insbesondere mindestens einem Laser, und einer Optik, insbesondere mit Umlenkelementen 10, 12, angeordnet ist. Der Festkörper 2 weist bevorzugt einen ersten, insbesondere ebenen, Flächenanteil und einen zweiten, insbesondere ebenen, Flächenanteil auf, wobei der erste ebene Flächenanteil bevorzugt im Wesentlichen oder genau parallel zu dem zweiten ebenen Flächenanteil ausgerichtet ist. Der erste ebene Flächenanteil und der zweite ebene Flächenanteil begrenzen bevorzugt den Festkörper 2 in einer Y-Richtung, wobei die Y-Richtung bevorzugt vertikal bzw. lotrecht ausgerichtet ist. Die ebenen Flächenanteile erstrecken sich bevorzugt jeweils in einer X-Z-Ebene, wobei die X-Z-Ebene bevorzugt horizontal ausgerichtet ist. Weiterhin lässt sich dieser Darstellung entnehmen, dass die Strahlungsquelle über die Optik 8 auf den Festkörper 2 ausstrahlt. Die Strahlen dringen je nach Konfiguration definiert tief in den Festkörper 2 ein und erzeugen an der jeweiligen Position bzw. an einer vorbestimmten Position physische Modifikationen 1 und/oder lokale Spannungen.
In 6b ist eine mehrschichtige Anordnung gezeigt, wobei der Festkörper 2 die Ablöseebene 38 beinhaltet und im Bereich des ersten ebenen Flächenanteils mit einer Halteschicht 35 versehen ist, die wiederum bevorzugt von einer weiteren Schicht 40 überlagert wird, wobei die weitere Schicht 40 bevorzugt eine Stabilisierungseinrichtung, insbesondere eine Metallplatte, ist. Die Aufnahmeschicht 34 ist bevorzugt als Polymerschicht ausgebildet und/oder die Halteschicht 35, die bevorzugt als Polymerschicht ausgebildet ist, besteht/bestehen bevorzugt zumindest teilweise und besonders bevorzugt vollständig aus PDMS.
In 6c ist ein Zustand nach einer Rissauslösung und anschließender Rissführung gezeigt. Die Festkörperschicht 36 haftet an der Aufnahmeschicht 34 und ist von dem verbleibenden Rest des Festkörpers 2 beabstandet bzw. beabstandbar.
Die in 6b gezeigte Anordnung wird durch eine thermische Beaufschlagung der Aufnahmeschicht 34 zum, insbesondere mechanischen, Erzeugen von Spannungen in dem Festkörper 2 verwendet, wobei sich durch die Spannungen ein Riss in dem Festkörper 2 entlang einer mittels der physischen Modifikationen erzeugten Ablöseebene 38 ausbreitet, wobei durch den Riss die Festkörperschicht 4 von dem Festkörper 2 abgetrennt wird. Besonders bevorzugt erfolgt bei der thermischen Beaufschlagung eine Abkühlung der Aufnahmeschicht 34 auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts und bevorzugt auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerwerkstoffs der Aufnahmeschicht 34.
Die in 7 gezeigte Anordnung weist eine Strahlungsquellenanordnung mit zwei Strahlungsquellen 4 auf. Die durch die Strahlungsquellen 4 emittierten Lichtstrahlen 6 (bzw. LASER-Strahlen 6) werden jeweils durch eine Umlenkeinrichtung 10 umgelenkt, insbesondere in Richtung des Festkörpers 2 umgelenkt. Die beiden Lichtstrahlen 6 können hierbei ebenfalls als ein erster Lichtstrahlenanteil 16 und ein zweiter Lichtstrahlenanteil 18 bezeichnet werden. Bevorzugt dringen die Lichtstrahlen 6 bzw. die Lichtstrahlanteile 16, 18 jeweils über eine Eindringstelle 27 in den Festkörper 2 ein. Die Eindringstellen 27 der Lichtstrahlen 6 bzw. der Lichtstrahlanteile 16, 18 sind hierbei voneinander verschieden. Im Festkörper 2 treffen die Lichtstrahlen 6 oder Lichtstrahlanteile 16, 18 aufeinander und erzeugen dadurch eine Modifikation 1 in dem Kristallgitter des Festkörpers 2.
8 zeigt eine weitere Anordnung. Gemäß dieser Anordnung ist eine Strahlungsquelle 4 vorgesehen, die einen Lichtstrahl 6 emittiert. Der Lichtstrahl 6 wird bevorzugt durch eine Strahlformungseinrichtung 7 geleitet, durch welche der Lichtstrahl 6 in einen Lichtstrahl 14 mit mehreren Wellenlängenanteilen überführt wird. Der Lichtstrahl 14 mit den mehreren Wellenlängenanteilen wird dann bevorzugt mittels einer ersten Umlenkeinrichtung 10 umgelenkt. Bevorzugt ist die erste Umlenkeinrichtung 10 ebenfalls als Lichtstrahlaufspaltmittel 33 ausgebildet und teilt den Lichtstrahl 14 in zwei Bestandteile 16, 18 auf. Ein Bestandteil 18 gelangt unmittelbar zum Festkörper 2 und der andere Bestandteil 16 wird bevorzugt mittels einer zweiten Umlenkeinrichtung 12 in Richtung Festkörper 2 umgelenkt. Bevorzugt weisen der Bestandteil 16 und der Bestandteil 18 unterschiedliche Wellenlängen auf.
9 zeigt einen Zustand, in dem zwei verschieden ausgebildete Lichtstrahlen 6 oder Lichtstrahlbestandteile zum Erzeugen einer Modifikation 1 in dem Festkörper 2 miteinander zusammenwirken. Es ist hierbei z. B. denkbar, dass durch den Bestandteil 18 ein erstes Laserfeld ausgebildet wird, wobei der erste Bestandteil Photonen mit einer ersten Energie aufweist, und durch einen zweiten Bestandteil 16 ein zweites Laserfeld ausgebildet wird, wobei der zweite Laserstrahl Photonen mit einer zweiten Energie aufweist, wobei das erste Laserfeld schwächer als das zweite Laserfeld ist und die erste Energie größer ist als die zweite Energie. Die Bestandteile 16, 18 wirken hierbei bevorzugt derart zusammen, dass ein Zwei-Photonen-Prozess bewirkt wird, durch den die Bandlücke des Materials des Festkörpers 2 überbrückt wird und dadurch die Modifikation 1 entsteht.
10 zeigt eine Anordnung, die mit der Anordnung aus 8 vergleichbar ist, wobei die zweite Umlenkeinrichtung 12 bevorzugt als Lichtstrahlfokussiermittel 19, insbesondere als Parabolspiegel, ausgebildet ist.
11 entspricht im Wesentlichen der Anordnung aus 7, wobei die Umlenkeinrichtungen 10 bevorzugt als Lichtstrahlfokussiermittel 19, insbesondere als Parabolspiegel, ausgebildet sind.
In 12 ist eine Anordnung gezeigt, gemäß der eine Strahlungsquelle 4 einen Lichtstrahl 6 emittiert, der von einer ersten Umlenkeinrichtung 10 umgelenkt wird. Der umgelenkte Lichtstrahlt 6 wird dann mittels einer zweiten Umlenkeinrichtung 12, die bevorzugt ebenfalls als Strahlteiler ausgebildet ist, umgelenkt und geteilt. Die aufgeteilten Bestandteile 16, 18 des Lichtstrahls 6 werden dann durch jeweils eine dritte Umlenkeinrichtung 13 umgelenkt, wobei die dritte Umlenkeinrichtung 13 bevorzugt als Lichtstrahlfokussiereinrichtung 19 ausgebildet ist. Die fokussierten Lichtstrahlbestandteile 16, 18 treten dann über die Eindringstelle 27 in den Festkörper 2 ein und erzeugen im Fokuspunkt 20 eine Modifikation 1.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Erzeugen einer physischen Modifikation, insbesondere eines Gitterdefekts oder zum lokalen Verändern der Festigkeit, in einem Festkörper, insbesondere einem Ingot oder einem Wafer. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst mindestens die Schritte: Bereitstellen des zu behandelnden Festkörpers 2, Bereitstellen einer Strahlungsquellenanordnung 4 zum Erzeugen von mindestens einem Lichtstrahl 6, Bereitstellen einer Optik 8, wobei die Optik 8 mindestens zwei Umlenkelemente 10, 12 zum Umlenken von Lichtstrahlanteilen 16, 18 aufweist, Erzeugen und Emittieren mindestens eines Lichtstrahls 6 durch die Strahlungsquellenanordnung 4, Umlenken zumindest zweier voneinander verschiedener Lichtstrahlanteile 16, 18 des emittierten Lichtstrahls 6 mittels der Umlenkelemente 10, 12, wobei die Lichtstrahlanteile 16, 18 derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper (2) eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile 16, 18 in einem Fokus 20 innerhalb des Festkörpers 2 zusammentreffen und die physische Modifikation 1, insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus 2 zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile 16, 18 erzeugt wird.
Bezugszeichenliste

1: physische Modifikation
2: Festkörper
4: Strahlungsquellenanordnung
5: Zweite Strahlungsquellenanordnung
6: Lichtstrahl
7: Strahlformungseinrichtung
8: Optik
10: erstes Umlenkelement
12: zweites Umlenkelement
13: drittes Umlenkelement
14: Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängenanteilen
16: erster Lichtstrahlanteil
18: zweiter Lichtstrahlanteil
19: Lichtstrahlfokussiermittel
20: Fokus
22: erster Oberflächenanteil
24: zweiter Oberflächenanteil
26: Eindringoberfläche
27: Eindringstelle
28: Weitere Eindringoberfläche
30: erste Lichtstrahltaille
32: zweite Lichtstrahltaille
33: Lichtstrahlaufspaltmittel
34: Aufnahmeschicht
35: Halteschicht
36: Festkörperschicht
38: Ablöseebene
40: weitere Schicht
42: erste Schleifkante
44: zweite Schleifkante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/012140 [0005]
EP 2009/067539 [0005]
DE 19640594 A1 [0011, 0011]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer physischen Modifikation (1), insbesondere eines Gitterdefekts oder zum lokalen Verändern der Festigkeit, in einem Festkörper (2), insbesondere einem Ingot oder einem Wafer, mindestens umfassend die Schritte: – Bereitstellen des zu behandelnden Festkörpers (2), – Bereitstellen einer Strahlungsquellenanordnung (4) zum Erzeugen von mindestens einem Lichtstrahl (6), – Bereitstellen einer Optik (8), wobei die Optik (8) mindestens zwei Umlenkelemente (10, 12) zum Umlenken von Lichtstrahlanteilen (16, 18) aufweist, – Erzeugen und Emittieren mindestens eines Lichtstrahls (6) durch die Strahlungsquellenanordnung (4), – Umlenken zumindest zweier voneinander verschiedener Lichtstrahlanteile (16, 18) des emittierten Lichtstrahls (6) mittels der Umlenkelemente (10, 12, 13), wobei die Lichtstrahlanteile (16, 18) derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper (2) eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile (16, 18) in einem Fokus (20) innerhalb des Festkörpers (2) zusammentreffen und die physische Modifikation (1), insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus (2) zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile (16, 18) erzeugt wird oder – Erzeugen und Emittieren mindestens zweier Lichtstrahlen (6) durch die Strahlungsquellenanordnung (4), – Umlenken der Lichtstrahlen (6) mittels der Umlenkelemente (10, 12, 13), wobei die Lichtstrahlen (6) derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper (2) eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlen (6) in einem Fokus (20) innerhalb des Festkörpers (2) zusammentreffen und die physische Modifikation (1), insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus (2) zusammentreffenden Lichtstrahlen (6) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei voneinander verschiedene Lichtstrahlanteile (16, 18) mindestens eines emittierten Lichtstrahls (6), insbesondere die Lichtstrahlenanteile mehrerer emittierter Lichtstrahlen, oder die mehreren emittierten Lichtstrahlen (6) mittels der Umlenkelemente (10, 12, 13) umgelenkt werden, wobei die Lichtstrahlanteile (16, 18) oder die Lichtstrahlen (6) derart umgelenkt werden, dass sie in den Festkörper (2) eindringen und wobei die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlanteile (16, 18) oder die voneinander verschiedenen umgelenkten Lichtstrahlen (6) in einem Fokus (20) innerhalb des Festkörpers (2) zusammentreffen und die physische Modifikation (1), insbesondere in Form eines Gitterdefekts, durch die im Fokus (2) zusammentreffenden Lichtstrahlenanteile (16, 18) oder Lichtstrahlen (6) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren zeitgleich erzeugten Lichtstrahlen (6) mindestens zwei Lichtstrahlen (6) und bevorzugt alle Lichtstrahlen (6) in voneinander verschiedene, insbesondere unterschiedliche Wege zurücklegende, und an voneinander beabstandeten Oberflächenanteilen (22, 24) des Festkörpers (2) in den Festkörper (2) eindringende Lichtstrahlanteile (16, 18) aufgeteilt werden, wobei die Lichtstrahlanteile (16, 18) eines jeweiligen Lichtstrahls mittels voneinander verschiedener Umlenkelemente (10, 12, 13) umgelenkt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Modifikation (1) mit einer vertikalen Ausdehnung von weniger als 50 μm und bevorzugt von weniger als 30 μm und besonders bevorzugt von weniger als 20 μm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (20) mehr als 200 μm und bevorzugt mehr als 300 μm und besonders bevorzugt mehr als 1000 μm von einer Eindringoberfläche (26) des Festkörpers (2) beabstandet ist, wobei zumindest einzelne Lichtstrahlanteile (16, 18) über die Eindringoberfläche (26) zum Erzeugen der physischen Modifikation (1) in den Festkörper (2) eindringen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (20) in einem Überlagerungsanteil von zumindest zwei sich kreuzenden Lichtstrahltaillen (30, 32) erzeugt wird, wobei die Lichtstrahltaillen (30, 32) durch die Lichtstrahlanteile (16, 18) oder Lichtstrahlen (6) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (8) mindestens ein Lichtstrahlaufspaltmittel (33), insbesondere einen Halbspiegel oder Strahlteiler, aufweist und mindestens ein Lichtstrahl (6) mittels mindestens dem Lichtstrahlaufspaltmittel (33) in mindestens zwei Lichtstrahlanteile (16, 18) aufgespalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl (6) mittels einem Lichtstrahlaufspaltmittel (33), insbesondere einen Halbspiegel, in zumindest zwei Lichtstrahlanteile (16, 18) aufgespalten wird, wobei ein Lichtstrahlanteil (16) mittels mindestens zweier Umlenkelemente (10, 12, 13), insbesondere Spiegel, derart umgelenkt wird, dass er mit dem anderen Lichtstrahlanteil (18) im Inneren des Festkörpers (2) zum Bilden eines Fokus (20) zum Erzeugen der physischen Modifikation (1) zusammentrifft.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl physischer Modifikationen (1) erzeugt wird, wobei die physischen Modifikationen (1) eine Ebene und/oder eine Kontur und/oder eine Silhouette und/oder die äußere Gestalt eines Körpers bilden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine von der Strahlungsquellenanordnung (4) emittierte Lichtstrahl (6) aus kohärentem Licht besteht und die Lichtwellen der im Fokus (20) zusammentreffenden Lichtstrahlanteile (16, 18) die gleiche Phase und die gleiche Frequenz aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lichtstrahlanteil (16, 18) oder zumindest ein Lichtstrahl (6) durch ein als Parabolspiegel ausgebildetes Umlenkelement (10, 12, 13) umgelenkt und fokussiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtstrahlanteil (16, 18) oder der zumindest eine Lichtstrahl (6) vor der Umlenkung und Fokussierung durch ein Umlenkelement (10, 12, 13), insbesondere den Parabolspiegel, eine Strahlformungseinrichtung, insbesondere ein 1D-Teleskop, zum Verändern der Fokusform durchdringt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Strahlungsquellenanordnung (4) mindestens oder genau zwei Lichtstrahlen (6) erzeugt werden, wobei die Lichtstrahlen (6) derart in Abhängigkeit von der Bandlücke des Materials des Festkörpers (2) mit voneinander verschiedenen Farben erzeugt werden, dass die Modifikation (1) durch einen Zwei-Photonen-Prozess erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen ersten Lichtstrahl (6) ein erstes Laserfeld ausgebildet wird, wobei der erste Lichtstrahl (6) Photonen mit einer ersten Energie aufweist, und durch einen zweiten Lichtstrahl (6) ein zweites Laserfeld ausgebildet wird, wobei der zweite Laserstrahl (6) Photonen mit einer zweiten Energie aufweist, wobei das erste Laserfeld schwächer als das zweite Laserfeld ist und die erste Energie größer ist als die zweite Energie.
Verfahren zum Herstellen von mindestens einer Festkörperschicht (36), mindestens umfassend die Schritte: Erzeugen von physischen Modifikationen (1) in einem Festkörper (2) gemäß einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, Anordnen einer Aufnahmeschicht (34) zum Halten der Festkörperschicht (36) an dem Festkörper (2), thermisches Beaufschlagen der Aufnahmeschicht (34) zum, insbesondere mechanischen, Erzeugen von Spannungen in dem Festkörper (2), wobei sich durch die Spannungen ein Riss in dem Festkörper (2) entlang einer mittels der physischen Modifikationen erzeugten Ablöseebene (38) ausbreitet, wobei durch den Riss die Festkörperschicht (4) von dem Festkörper (2) abgetrennt wird.