JP4700680B2

JP4700680B2 - 超薄膜を分離するガラスによって調節された応力波及びナノエレクトロニクス素子の作製

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Publication number: JP4700680B2
Application number: JP2007502074A
Authority: JP
Inventors: グプタ，ヴィジェイ; キレーフ，ヴァシリー，エイ
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: WO2005084393A2; JP2007527538A; US7487684B2; KR101026956B1; CN1926420A; KR20070004655A; WO2005084393A3; EP1723401A2; CN100554905C; US20070039395A1; EP1723401A4

Description

本発明は一般にファイバー又は平坦基板上へのコーティングの成膜に関し、より詳細には超薄膜の剥離及び基板と超薄膜との間の界面引っ張り強度の測定に関する。

膜及びコーティングは様々な産業で広範に使用されている。例としてはとりわけ、エンジンの断熱コーティング、切断工具、シール及び架橋部でのトライボロジカルコーティング、ペイント集合体におけるポリマー層、複合体におけるファイバーコーティング、エレクトロニクス素子における電気的、磁気的及び光学的な多重層並びに、ＭＥＭＳベースの機械素子及び医療素子における金属及びセラミックス膜が含まれる。複合材料の分野では、薄いコーティングとファイバーとの界面は母体の亀裂を緩和すると考えられる。トライボロジーの分野では、たとえば磁気的、導電性、光学的若しくは電気的といった機能性コーティング、たとえば断熱性、耐腐食性若しくは耐水性の保護コーティング又は装飾性コーティングのような様々な種類のコーティングとその下にある基板との界面は興味の対象となっている。

上述の様々な応用では、界面での引っ張り強度は、界面の剥離プロセスを直接的に制御し、かつコーティング構成要素の有用性及び信頼性をしばしば制御するものであって、重要な特性である。膜の架橋は意図した機能を実現するための前提条件である。よって、これらすべての応用における中心的目標は架橋強度を最大化することで膜の剥離及び膜の破断を回避し、コーティングされた構成要素の長期的信頼性を予測できるようにすることである。加えて、界面引っ張り強度の測定は上述の応用においてコーティングが信頼できる性能の示すうえで重要となってくる。これらの問題は大抵の場合、プロセス（成膜及び表面に関する変量）及びサービス（湿度及び温度）変量の影響を受ける、異なる層間の架橋に関する基本的理解を追究することで解決される。

これらの目的は、当技術分野で一般に使用されているレーザー剥離技術のような架橋測定ツールを使用することで現在のところ実現されている。典型的には、高エネルギーレーザーパルスは閉じこめプレート（ｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｌａｔｅ）、金属層、基板プレート及びコーティングの組み合わせが面状に配列したものに作用する。レーザーパルスは、基板背面の関心部分とレーザー波長に対して透明な溶融石英閉じこめプレートで挟まれている厚い金属膜に作用する。通常は金又はアルミニウムがレーザー吸収膜として使用される。閉じこめられた金にレーザーエネルギーが吸収されることで膜が突然膨張する。膜は集合体の軸の制約のため、テストコーティング界面に向かって圧縮性衝撃波を発生させる。圧縮性パルスは界面に衝撃を与えるので、その一部はコーティングへ透過する。この圧縮性パルスのコーティングの自由表面からの反射であって、十分大きな振幅が与えられれば引っ張りパルスとなってコーティングを剥離する。
米国特許第５，４３８，４０２号明細書米国特許第６，３２７，０３０号明細書米国特許第５，９２０，０１７号明細書米国特許第４，３５３，６４９号明細書米国特許第５，１９９，３０４号明細書米国特許第６，２１９，１３９号明細書

特許文献１は、平坦界面の引っ張り強度を１μｍの厚さで決定するという当技術分野における重大な発展に寄与した。しかし、厚さ０．５μｍ未満の超薄膜が、ナノテクノロジーを使用した超高密度素子を発展させるマイクロエレクトロニクス産業における研究の主な対象である。加えて、動揺の長さスケールでの架橋はＭＥＭＳベースの機械及び医療装置を大量に製造するときの材料最適化で重要になる。従って測定能力を厚さ０．５μｍ未満へ拡張する必要がある。

従って、本発明の目的はそのような非常に薄い膜間の界面引っ張り強度を測定することである。

別な目的は、薄膜ライン又はそれらの完全構造を半導体及び設計基板からガラスによって調節される応力波を使用して剥離し、所望の基板上にそれらを固定させ、構造を再構築する。これにより現在行われているウエットエッチング技術を省略できるのでより迅速なＭＥＭＳ及びナノスケール素子が作製できるようになる。これらの目的のうちの少なくとも複数は以下の発明によって満足される。

本発明の１つの態様は基板とコーティングとの間の引っ張り応力を発生させる装置であって、基板は第１軸の第１面と第２面で画定される厚さを有し、コーティングは基板第１面に成膜され、その際コーティング及び基板は第１軸に沿って互いに近接して配置されることでコーティング／基板界面を形成することを特徴とする。その装置は基板第２面に配置され、第１軸に沿って設けられているガラス素子を有する。ガラス素子は応力波をコーティング／基板界面へ伝搬させ、基板とコーティングとの間に引っ張り力又は引っ張り応力を発生させるように構成されている。

本態様の好適モードでは、引っ張り応力はコーティング／基板界面でコーティングを基板から剥離するように構成されている。一般に応力波は約５ｎｓから約１００ｎｓの範囲の長さを有する。理想的には応力波は希薄衝撃波を有する。ガラス基板は約０．５μｍ未満の厚さを有するコーティングの剥離が可能なように構成されている。しかし、本発明はまた、約０．５μｍより厚い様々なコーティングにも使用可能である。

１つの実施例では、ガラスは、第１軸に沿って進行するＮｄ−ＹＡＧレーザービームの作用によって発生する応力波を伝搬させるように構成されている。典型的には、ガラス素子は基板第２面と結合している。ガラス素子はパイレックス（登録商標）、ソーダライム、石英、ボロシリケート又は同様な材料を有して良い。ガラス素子は如何なる厚さを有しても良いが、約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲であることが好ましい。

実施例によっては、装置がガラス素子に隣接して配置される固定素子（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ）をさらに有して良い。加えて、エネルギー吸収層が固定素子とガラス素子との間に設けられて良い。

本発明の別な態様は、コーティングを基板から剥離する工程を有する。基板は第１軸を横切るように設けられている第１面及び第２面を有し、コーティングは基板第１面上に成膜され、その際コーティング及び基板は第１軸に沿って互いに近接して配置されることで、コーティング／基板界面を形成する。本方法はガラス素子を基板第２面上で第１軸に沿って設置する工程、ガラス素子の第１軸にレーザーパルスを進行させる工程、ガラス素子を介して応力波をコーティング／基板界面へ伝搬させることで基板とコーティングとの間の引っ張り応力を発生させる工程、及び応力波が発生させた引っ張り応力によって基板からコーティングを剥離する工程を有する。

好適実施例では、伝搬された応力波は約０．５μｍ未満の厚さを有するコーティングを剥離するような長さを有する。

別な実施例では、本方法は第１軸に沿ってガラス素子を設置する工程をさらに有し、ガラス素子を設置する工程はガラス素子を基板第２面に結合させる工程を有する。加えて、固定素子はガラス素子の自由面に隣接して設けられて良い。本方法は、固定素子とガラス素子との間にあるガラス素子の自由面上にエネルギー吸収層をコーティングする工程をさらに有して良い。その際、第１軸にレーザーパルスを進行させる工程はガラス素子上にコーティングされているエネルギー吸収層へレーザーパルスを進行させる工程を有する。本態様の１つのモードでは、コーティング／基板界面で発生する応力波によって生じる応力は約１．０ＧＰａを超える。より具体的にはコーティング／基板界面で発生する応力波によって生じる応力は約２．０ＧＰａを超える。

本発明のさらに別な態様では、ナノ構造を平坦基板から剥離する装置が開示されている。ナノ構造は第１基板前面に取り付けられる。その装置はナノ構造の反対側である第１基板の背面上に配置されるガラス素子、レーザー光源及びＮｄ−ＹＡＧレーザーを有する。これらはレーザービームをガラス素子へ進行させるように配置されている。ガラス素子はレーザービームによる作用によって発生する応力波をナノ構造へ伝搬させ、ナノ構造と第１基板との間に引っ張り応力を発生させ、第１基板からナノ構造を剥離する。

本態様の１つのモードでは、装置は第１基板前面の反対側に位置する第２基板をさらに有する。ここで第２基板は一旦第１基板から剥離されたナノ構造を受け取るように構成されている。

好適実施例では、装置は第２基板上に配置される架橋層をさらに有する。架橋層は一般にナノ構造と第２基板との間の結合を形成するように構成されている。第２基板から第１基板を剥離する１つ以上のスペーサがさらに含まれて良い。

別な態様では、シリコンプラットフォームを受け取り基板（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｕｂｓｔｒａｔｅ）に移行する装置はシリコンプラットフォームの背面上に配置されるガラス基板及びガラス素子へレーザービームを進行させるように構成されているレーザー光源を有する。ガラス素子はレーザービームが作用することによって、シリコンプラットフォームとガラス基板との間に引っ張り応力を発生させるように構成されている。その際、引っ張り応力は受け取り基板へ向けてシリコンプラットフォームを受け渡す。

本態様の１つのモードでは、エネルギー吸収層はシリコンプラットフォームの反対にあるガラス基板に隣接して設けられて良い。その際、エネルギー吸収層及びガラス基板はガラス基板を通り抜ける応力波を伝搬させ、シリコンプラットフォームとガラス基板との間に引っ張り応力を発生させる。

エネルギー吸収層を有していない別なモードでは、レーザービームはガラス基板を通過して、シリコンプラットフォームとガラス基板との間に引っ張り応力を発生させる。

多くの実施例では、シリコンプラットフォームは１つ以上の回路を有する。シリコンプラットフォームはまた、Ｓｉ薄膜をも有して良い。

別なモードでは、受け取り基板はポリマーを有する。受け取り基板はまた、ポリマー膜でスピンコーティングされても良い。

本発明のさらに別な態様は本明細書の以下の部分で明らかにされる。ここで詳細な説明は本発明の好適実施例の十分な開示が目的であり、制限をかけるものではない。

本発明は以下の図を参照することで十分に理解される。なお図は例示目的でしかない。

より詳細に図を参照し、例示目的で本発明は図４から図６、及び図７Ｂから図１３で一般に図示されている装置で実施される。ここで開示されている基本構想から離れることなく、装置は構成部分の配置及び詳細に応じて変化して良く、かつ方法は特定の工程及び順序に応じて変化して良いということが分かるだろう。

本発明の装置及び方法は超薄膜界面（厚さ０．５μｍ未満）及び設計基板上に堆積された多重層の引っ張り強度（架橋）を測定する。本発明は、ガラスによって調節される応力波を使用することで半導体及び設計基板から薄膜ライン又はその完全構造の分離及び剥離を実現する。所望の基板上に薄膜又は構造を固定させて、構造を再構築する装置及び方法についてさらに開示する。これにより現在行われているウエットエッチング技術を省略できるのでより迅速なＭＥＭＳ及びナノスケール素子が作製できるようになる。この方法はまた、ナノ回路又はマイクロ回路を作製する魅力的代替手段を提供することも可能である。

図１はレーザードップラー変位干渉計１２及びレーザー剥離セットアップを使用する界面引っ張り強度測定システムを図示する。入射レーザー２０は第１軸に沿ったパルスレーザー光を発生させる。第１光学素子２２は第１軸に沿って設けられ、入射ビーム光を受け取る。素子２２は入射ビームをコリメートし、第１軸と実質的に平行でかつ試料集合体１６と一致する第２軸に沿ってコリメートされたビーム２４を通過させる。試料集合体１６は一般に固定素子、エネルギー吸収層、基板素子及び試料コーティングを有する。これらは第２軸に沿って、第２軸を横切るように順次設けられている。

レーザードップラー変位干渉計系１２は、第２入射レーザー３４、入射レーザー光３４を受光するように設けられている第１コリメーションレンズＬ１及び第１固定ミラーＭ２を有する測定手段である。ミラーＭ２は第１コリメーションレンズＬ１から、レーザービームが第１反射軸３８に沿って進行するように角度補正されている。第１反射軸３８は実質的にレーザー３４によって生成される入射ビームを横切る。ビームスプリッタ２８は、入射ビーム３８の選択部分を受光するように反射軸３８に沿って配置されている。ビームスプリッタ２８に入射するビームの一部はそこを通過して第２反射軸４０に沿って進行する。加えて、反射軸３８に沿って進行するビームの選択部分はビームスプリッタ２８によって、第１射出軸４１に沿って第２固定ミラーＭ１へ進行する。第２反射軸４０に沿って進行するレーザービームは試料集合体１６の自由表面に入射し、軸４０に沿ってビームスプリッタ２８へ戻るように反射される。ビームスプリッタ２８は試料集合体１６からの反射されたビームの選択部分を第２射出軸４２に沿って進行させる。第１射出軸４１及び第２射出軸４２は反射軸３８及び反射軸４０を横切るように設けられている。第２コリメーションレンズＬ２はビームスプリッタ２８からのビームの反射部分を受光するように第２射出軸４２に沿って設置されている。第２コリメーションレンズＬ２はビームを第２射出軸４２に沿ってフォトダイオード４４へ向けて進行させる。フォトダイオード４４もまた、第２射出軸４２に沿って設置されることで反射ビームを受光する。フォトダイオード４４は入射ビームの反射部分に応答して信号４５を発生させる。フォトダイオード４５はデジタイザ４６と電気的に通信する。デジタイザ４６もまた、コンピュータ４８と電気的に通信する出力信号４７を発生させる。

試料集合体１６の自由表面で発生する振動を計測するため、図１のレーザードップラー変位系１２が用いられる。レーザー３４は軸３６に沿ったレーザービームを生成するように駆動される。第１コリメーションレンズＬ１はビームをコリメートし、ビームを固定ミラーＭ２へ向けて進行させる。ミラーＭ２は軸３６に対して角度補正される。ミラーＭ２はレーザービーム３４を反射軸３８に沿って反射させる。ビームスプリッタ２８は反射軸３８に沿って設置され、反射レーザービームを受光する。ビームスプリッタ２８は反射ビームの選択部分を反射軸４０に沿って進行させ、その一方で同時に入射ビームの選択部分を第１射出軸４１に沿って進行させる。好適実施例では、ビームスプリッタは反射軸３８に対して如何なる角度で設けられても良いが、４５°であるのが好ましい。しかもビームスプリッタはレーザービームを２つの均一なビームに分配するのが好ましい。

固定ミラーＭ１から反射されるビームは参照ビームであって、コーティング２６の自由表面から反射されて第２軸に沿ったビームは信号ビームである。参照ビーム及び信号ビームはビームスプリッタ２８で混合し、第２射出軸４２に沿って進行する。レンズ２２、好適には凸レンズ、は混合ビームをコリメートし、軸４２に沿ってフォトダイオード４４へ進行させる。フォトダイオード４４は信号４５を生成する。信号４５はコーティングの自由表面の変動、たとえば過渡的速度、に比例する。フォトダイオード４４の出力電圧信号はデジタイザ４６と電気的に通信する。デジタイザはコンピュータ４８と通信する出力信号４７を生成するように駆動される。

デジタイザ４６はフォトダイオード４４の干渉記録に対応する信号４７を生成する。干渉記録はコンピュータ４８によって試料集合体１６の自由表面の速度と関連づけられる。コーティングの自由表面の過渡的速度はそこで一連の波動方程式により界面での応力に関連づけられる。より詳細にはレーザーフルエンスの各レベルで発生する界面引っ張り応力のピーク値はコンピュータ４８によって最大自由表面速度と関連づけられる。コンピュータ４８は基板の自由表面で計測された応力パルス（それぞれ独立に計測される）を取得し、それを基板側の界面に作用させ、結果生じる界面とコーティング自由表面での応力の引っ張り振幅のピーク（これは規格化因子を介して規格化されている）を決定する。上述の振幅の比は移動係数を有する。移動係数はコーティング又は基板の自由表面で計測されたピーク応力を界面のピーク応力へ変換するのに使用される。

図２Ａは当技術分野で一般に使用されているレーザー剥離技術を使用した実験を図示している。３ｎｓ長さのＮｄ：ＹＡＧレーザーパルスは試料集合体５０へ進行し、基板ディスク背面（１２ｍｍから２５ｍｍの直径及び１ｍｍの厚さを有する）と１０μｍから２０μｍの厚さを有するＳｉＯ_２層に挟まれる０．５μｍの厚さを有するアルミニウム膜５２上の直径３ｍｍの領域に作用させるようにする。

駆動させるとき、第１入射レーザー２０は第１軸に沿ってレンズ２２へ進行するレーザーパルスを生成する。レンズ２２はレーザーパルスを固定層５０に入射するコリメートされたビーム２４にする。

エネルギー吸収層５２によるレーザーパルスの吸収はアルミニウム層５２の突然の融解誘起の膨張を引き起こす。集合体、たとえば固定材料５４及び基板５６、の軸的制約のため、膨張は基板５６及び試験コーティング５８へ向かう圧縮的な衝撃波又はパルスを生成する。試験コーティング５８は基板５６の前面上に成膜される。

図２Ｂで図示されているように、基板５６を介して伝搬する圧縮性応力パルスは基板５６と試験コーティング又は試料５８との間の界面へ入射する。圧縮性パルスは界面に衝突するので、その一部はコーティングへ透過する。圧縮性パルスはコーティングの自由表面６０へ到達する。そこで反射され、引っ張りパルスＴを生成する。界面での引っ張り応力はコーティングの自由表面６０の過渡的変位履歴（パルス反射の間に誘起される）を計測することで得られる。計測には光干渉計７０を使用する。その概略は図２Ａに図示されている。十分大きな振幅が与えられたものとして、引っ張りパルスのこの形式こそが基板／コーティング界面からコーティング５８を剥離する。

応力パルスがコーティング５８の表面６０又は基板５６から反射されるとき、自由表面の粒子は過渡的速度の影響を受ける。この速度は衝突する応力パルスの過渡的プロファイルに比例する。この過渡的速度は図２Ａのレーザードップラー干渉計系７０によって直接測定される。ドップラー干渉計系７０は第２入力レーザー（Ａｒイオン）７２、一連のコリメーションレンズ、ミラーＭ１、ミラーＭ２、ミラーＭ３、フォトダイオード７４及びデジタイザ７６を有する。

密度ρで厚さｈのコーティングでは、界面での応力は、過渡的速度の測定値ｖ（ｔ）から以下のように求められる。

δ（ｈ，ｔ）＝ρｃ［ｖ（ｔ＋ｈ／ｃ）− ｖ（ｔ＋ｈ／ｃ）］／２
ここでｃは膜中の縦応力波速度である。

上述の基礎的技術で膜を剥離するのに使用される、レーザーによって発生する応力波履歴は図３で再現される。これらの測定はＳｉウエハ基板を用いて行われた。立ち上がり及びピーク後の減衰時間はレーザーフルエンスの増大に伴って得られる応力パルス振幅の増加に対して大きくは変化しない。典型的な応力パルスの特徴は１ｎｓから２ｎｓで立ち上がり、約１６ｎｓから２０ｎｓで徐々にピーク後の減衰が起こる。しかし、数百ｎｓまでの応力波は複合基板で生成することが可能である。応力波の長さと比較して膜が非常に薄い場合、初期の圧縮パルスの後部は依然として界面にある一方で、前部は、膜の自由表面からの反射後引っ張り波として戻される。２つの波の干渉は破壊的なため、ピークの界面引っ張り応力は常に初期圧縮波の振幅よりも小さくなる。

界面での引っ張り応力のピークの振幅は膜厚、立ち上がり時間及び応力パルスのピーク後の減衰時間に対して非線形に減少し、膜厚０の極限で０になる。よって層が薄い場合、界面での引っ張り応力のピークは基板内部での引っ張り応力のピークよりもはるかに小さくなりうる。本質的に強固な界面では、そのような条件は大抵の場合、所望の界面が剥離される前に基板内部の破断となる。

表１は基本的なレーザー剥離技術を使用して、Ｓｉウエハ基板５６上にスパッタによって堆積されたコーティング５８を有するＣｕ／ＴｉＮの２層系の界面引っ張り強度の測定結果をまとめている。コーティング５８の膜厚が不十分なため、最初３つの試料については基板５６内部で破断が観測された。３つの試料についてのＳｉ基板内部での引っ張り応力のピークは一致していることを明記しておく。このことは、Ｓｉの引っ張り強度が５ＧＰａであることを示唆している。これらの試料について、Ｓｉ／ＴｉＮ界面での引っ張り応力はむしろ小さく、界面強度よりも小さい。膜厚が増加することで、破断場所は基板から界面へ変化した。一貫して、Ｓｉ内部の引っ張り応力のピークはこれまでの試料で測定されたＳｉ基板強度よりも小さい。界面強度は最後２つの試料については等しいことが分かった。このことは、界面の化学的性質が厚さを変化させた膜について同じ場合、実験は同じ基本強度を測定するということを示唆している。よって超薄膜の界面強度は、単純に膜厚を増加させる又は上部に他の層を堆積させることで反射圧縮パルスの十分な“スペース（ｒｏｏｍ）”を与えることで可能となる。

しかし、複数の系において膜厚が増加するため、考えられる膜の構造及び化学的性質の変化に関する問題のため、好適な方法は常に初期の膜厚の小さい状態での試験、又は実際の装置及び用途で使用されるのと同一の形式での試験である。従って超薄膜（厚さ０．５μｍ未満）で上手に剥離を行い、続いてそれらの架橋を測定することはとても重要になる。

有限要素法に基づくシミュレーションを行って、ユアンとグプタ（ＹｕａｎａｎｄＧｕｐｔａ）は所与のコーティング厚さで、ピーク後の減衰時間が、界面での引っ張り応力を最大にする上で最も重要になってくることを示した。特に、ピーク後の減衰時間がゼロになる、つまり波形が“希薄衝撃（ｒａｒｅｆａｃｔｉｏｎｓｈｏｃｋ）”を有する場合、任意の薄さを有する薄膜の界面引っ張り応力は理論的には入射圧縮パルスの振幅と等しくなる。本発明に従うと、この理論的可能性はガラス層を使用した試料集合体で実験的に実現された。

図４は本発明に従った典型的な試料集合体１００を図示している。試料集合体１００は固定素子１０２、エネルギー吸収層１０４、ガラス基板素子１０６、シリコン基板素子１０８及び自由表面１１２を有するコーティング１１０を有する。すべては軸に沿って軸を横切るように順次設けられ、近接している。

図４で図示されているように、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーパルス１１４は試料集合体１００で一般に固定層１０２を交差する方向に進行する。レーザーパルスは水ガラスの固定層１０２を通過して、エネルギーを吸収するアルミニウム層１０４に作用し、加熱する。それに引き続いて起こるアルミニウム層１０４の膨張は、ガラス基板１０６及びシリコン基板１０８を通り抜けて伝搬する圧縮性衝撃波又はパルスを発生させる。パルス波はコーティング１１０を透過して引っ張りパルスを生成する。

エネルギー吸収層１０４は金、ゲルマニウム又はさらに通常の黒のセロハンテープのような様々な金属又は非金属材料から構成されて良いが、アルミニウム薄膜から構成されるのが好ましい。固定素子１０２は固体水ガラスから構成されるのが好ましく、厚さは５μｍから１００μｍで、５μｍであることが好ましい。固定素子はまた、２−プロパノール、水、ＳｉＯ_２のような当技術分野で既知の同様の品質を有する多数の他の組成物を有しても良い。別な実施例では、固定素子は透明のセロハンテープを有しても良い。

シリコン基板３０は現実には円形であることが好ましく、直径１０ｍｍから３０ｍｍで好適には厚さ１ｍｍの単結晶シリコン（Ｓｉ）ウエハから構成される。試料コーティング３２は厚さ０．５μｍ未満であって良い。

応力波はガラス基板素子１０８で、図１及び特許文献１で実施される実験手順によって計測される。ガラス基板素子１０８はパイレックス（登録商標）ガラス、ソーダライムガラス、石英ガラス及びボロシリケートガラスを有する。ガラス片の入射応力波プロファイルを正確に画定するため、これらの試験は、名目上の厚さ１．０ｍｍのガラススライドを厚さ０．７ｍｍのＳｉウエハに架橋することで行われた。なお架橋には厚さ０．５μｍの光学グレードＥＰＯＴＥＣＨ３０１ＦＬ（商標）エポキシが使用された。水ガラスで固定されたＡｌ膜１０４を上述の方法で剥離することで、応力波がＳｉ内部で発生した。干渉計測定では、４００ÅのＡｌ層をガラスの自由表面上に堆積させた。

図５Ａ及び図５Ｂはレーザーフルエンスを増加させた一連の応力パルスプロファイルを図示している。測定はソーダライムガラスを有するガラス基板素子１０８で行われた。図５Ａで図示されているように、応力振幅の小さいところでは、プロファイルはＳｉ及び他の材料と同様で、有限の立ち上がり時間及び緩やかなピーク後の減衰を有する。しかし応力パルス振幅がある閾値を超えることで、応力波の立ち上がり時間１２０は長くなるが、ピーク後の応力プロファイルの開始１２２で急速に減衰する。究極的には、擬似的に即座に落ちるピーク後応力を有するプロファイルが実現する。それは“希薄衝撃”に酷似する。Ｓｉ基板のみを有する試料集合体と比較したガラス基板素子の試料集合体１００の応力波プロファイルの変化は図５Ｂに図示されている。

図６はガラス素子としてパイレックス（登録商標）ガラス、ソーダライムガラス、石英ガラス及びボロシリケートガラスによって測定されたパルスプロファイルを図示している。上述の効果の大きさはガラスによって変化することが分かったが、すべてについて希薄衝撃が形成されることが示された。

プレートに衝撃を与えるセットアップを使用したこれまでの研究では、ガラス中での希薄衝撃の形成を明らかにすることができなかった。その理由は、これまでの研究におけるパルス長は試料片の厚さよりも長かったからである。上述したように、希薄衝撃の効果は、パルスが材料へ伝搬する距離が有限のため発展する。応力波のパルス長（〜０．１ｍｍ）が試料片の厚さ（〜１ｍｍ）よりも短いので、本発明のセットアップでもこの結果を得ることは可能である。

ガラスによって調節された応力波の使用を示すため、表ＩＩにまとめられた試料セットが準備された。全ての膜（コーティング１１０）は基板上にスパッタで堆積された。各膜厚は表に示されている通りである。応力波はガラス内部で直接的に発生した。レーザー剥離方法と一致して、ガラスの自由表面は厚さ０．５μｍのＡｌ膜でコーティングされ、厚さ４０μｍから５０μｍの水ガラス層を使用することで上部が固定された。超薄膜界面を剥離するのにガラスによって調節された波が適用できることを示すため、ディスプレイ技術において注目されているＴｉＮ／ガラス系及びＮｉ／ガラス系が選ばれた。

ガラス基板に加えて、Ｃｕ（１４００ｎｍ）／ＴｉＮ（７０ｎｍ）２層系がＳｉ基板ウエハ１０８の自由表面上にコーティング１１２として堆積された。これまでは応力パルスがＳｉウエハ内部で直接発生したときは表ＩＩの試料１で示されているようにＳｉ内部での破断が観測された。これは上述のように界面強度が非常に強いためである。

本発明の試験では、コーティングしていないＳｉ基板１０８の自由表面とはＵＶ処理されたエポキシを使用してパイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラス又はボロシリケートガラス層１０６に架橋された。それはガラスによって調節された波による負荷をかけることができるようにするためである。剥離方法と調和するように、レーザー吸収Ａｌ層１０４がガラス基板１０６背面に堆積され、厚さ４０μｍから５０μｍの水ガラス層で上部から固定された。表ＩＩは様々な構成における関心対象の界面で観測された破断について示している。なお各構成については具体的な引っ張り強度の値が付記している。表ＩＩは、超薄膜界面の引っ張り強度も計測に本発明に従ったガラス基板を使用できる可能性があることを示している。図７Ａ及び図７Ｂは表ＩＩの試料＃１及び試料＃２で生じた破断場所を図で対比している。図７Ａで図示されているように、ガラス基板が使用されていないときには、Ｃｕ（１４００ｎｍ）／ＴｉＮ（７０ｎｍ）／Ｓｉ系ではＳｉ基板１０８内部に破断場所が発生した。それとは対照的に、図７Ｂは、本発明のガラスによって調節された波が使用されたときの高倍率破断像を図示している。矢印は、Ｓｉ基板１０８内部では破壊が起こらずにＣｕ／ＴｉＮ界面（つまりコーティング層１１０内部）で破断が発生したことを図示している。界面での引っ張り強度の値は２．６２ＧＰａと計算で求められた。これはむしろ大きな値で、基本的な剥離セットアップでは実現不可能である。

図７Ａ及び図７Ｂに図示された結果は、図７Ａ及び図７Ｂで定量的に図示されている。図８Ａは２つの計測された自由表面速度プロファイル１３０及び１３２を図示している。ボロシリケートガラスによって調節された波及びＳｉ基板で発生する波から得られたプロファイル１３０及びプロファイル１３２は図７Ａ及び図７Ｂに図示されている破断に対応する。従って、希薄衝撃の振る舞いはボロシリケートガラス改質波が生成するプロファイル１３２で観測された。ボロシリケートガラスによって調節された波のプロファイルに対応する２つの界面での引っ張り応力履歴１３４及び１３６は図８Ｂで図示されている基板プロファイルである。図８Ｂから分かるように、界面での引っ張り応力プロファイル１３６の劇的な増大がガラスによって調節された波で観測された。

ナノテクノロジー領域で重要になってくると思われる関連用途は、エレクトロニクスで使用される基板（Ｓｉ，Ｇｅなど）上にナノ細線から構成される構造を有するナノスケール回路及び素子のようなＭＥＭＳ及びナノエレクトロニクス素子作製でこれらの特別な波を使用することである。ナノスケール回路に基づく素子は現在のミクロンスケール技術で可能な程度の処理速度より大幅に速くなることが期待されている。現在使用されているフォトリソグラフィ技術は、製造可能な最小素子サイズという点において本質的に限界に達している。ナノ細線製造の新たなアイディアには、電子ビームエッチング（これは極端に遅い）及び異方的な格子ミスマッチに基づく成膜アイディアが含まれる。後者のアプローチでは、膜及び基板に使用される材料は、実質的に１方向に格子ミスマッチが存在し、他の方向にはミスマッチが生じないように選択される。格子ミスマッチのない方向の薄膜成長を促進させる一方で、大きなミスマッチは薄膜成長を制限する。よってこの手順はごくわずかな薄膜／基板の組み合わせに制限される。

図９Ａ及び図９Ｂは、本発明に従ったナノ細線剥離及び取り込み集合体（ｒｅｔｒｉｅｖａｌａｓｓｅｍｂｌｙ）２００の概略を図示している。ナノ細線成長の合成に特化された基板上に成長するナノ細線２０２は本発明の原理を使用して剥離されることが可能である。図４で論じたように、レーザーパルスはガラス基板２０６の自由面側の薄いＡｌ層に進行して良い。それによって、圧縮性衝撃波がガラス基板２０６及びそれに隣接するシリコン基板２０４を介して伝搬する。衝撃波はナノ細線２０２で反射してシリコン基板２０４からナノ細線２０２を剥離する引っ張り力を発生させる。上述のように、そのような薄い細線の剥離は本発明のガラスによって調節された波の使用によってのみ可能である。

図９Ｂで図示されているように、剥離された細線は続いてナノ細線２０２の自由表面の反対側に設けられている所望のエレクトロニクスで使用される基板上で、“固定され”又は取り込まれ（ｒｅｔｒｉｅｖｅ）、それによってスペーサ２１０を介することで剥離されて良い。エレクトロニクスで使用される基板２１２は超薄膜架橋層２１４又は自己集合分子層のいずれかを有して良い。この手順を繰り返し使用することで回路の構築が可能となる。この構成では、使用される基板の種類の制限はない。

図９Ａの系の物理的図示は図１０Ａで図示されているような断面を有する多層プラスチック基板２２０上で示される。上部層を表す図１０Ｂの像はＳｉ素子が基板回路とやり取りを行うことを可能にする電気的コンタクトに使用される鉛の隆起物２２２を図示している。レーザーは本発明に従ったプラスチック基板２２０の表面下に作用し、基板上部層へ応力波を送った（ｌａｕｎｃｈ）。応力波は鉛の隆起物を剥離し、これらの剥離された隆起物は図１０Ｂで図示したように柔軟性プラスチックテープ２２６によって固定された。

この手順の成功は図１０Ｂ及び図１１で示されている。これらの像はテープ２２６上の剥離された鉛の隆起物２２２の低倍率及び高倍率顕微鏡像である。レーザーエネルギーが増加することで、鉛の隆起物がある領域の下の剥離もまた実現されるということも上記に加えて留意すべきである。

よってそのような場合では、下地の膜と共に鉛の隆起物２２２は基板２２０から引き離されて自由になり、プラスチックテープ２２６に捕らえられた。図１０Ａの暗い領域２２４は隆起物下にある層である。その層は柔軟性テープ基板２２６のまさに上部に現れる。図１１は剥離された鉛の隆起物の焦点図（ｆｏｃｕｓｅｄｖｉｅｗ）を全体で図示している。ガラスによって調節された波のさらに別な応用はプラスチックのような柔軟性基板上の高性能回路の作製である。それはたとえば、低コストＲＦＩＤタグ、ＴＦＴベースの高性能コンピュータ及びセンサシステムの製造への応用である。

図１２で図示されているように、上述のようにすでに十分確立されたプロセス変数を使用することによってガラス又は石英基板３０４上に非常に高品質なポリシリコン又は単結晶シリコン層３０２を（有限の領域で）設けて良い。ガラス基板３０４はその１つの面上にシリカ層３１０を有して良く、シリカ層３１０は任意でシリコン層３０２とガラス基板３０４の間に設けられて良い。そのとき、アルミニウム膜３０６及び水ガラス固定素子３０８がガラス基板３０４の自由面上に設けられている。

すでに製造された高性能回路は最初にＳｉ又はガラスプラットフォーム３０４上に作製して良い。続いて、ポリシリコン表面３０２全面をポリマー膜、つまり“受容基板”３１２でスピンコーティングして良い。この結果、ガラス／Ｓｉ／ポリマーのサンドイッチ構造が形成される。

ポリマー基板をスピンコーティングする代わりに、すでに形成されているポリマーホイル３２２もまた、図１３で図示されているようにＳｉプラットフォーム３２４の近くに設置されて良い。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーパルス３２６を、水ガラス（３２８）で固定されているＡｌ膜３３０を有する直径０．５ｍｍから４ｍｍの領域に集束させることで、高振幅圧縮性応力波がガラス基板３２０の背面上に発生する。応力波は直接Ｓｉ／ガラス界面を剥ぎ取り、全Ｓｉ膜、Ｓｉプラットフォーム又は回路３２４を完全にプラスチック基板へ移行させる。

さらに別な実施例では、基板３２０の背面にあるＡｌ層３３０又は固定水ガラス層３２８は除去されて良い。この構成では、レーザーパルス３２６はガラス基板を通り抜け、Ｓｉ表面と直接相互作用して応力波を送る。この波はＳｉ／ガラス界面に入り込むことでＳｉプラットフォーム３２４をポリマー基板３２２上部へ移行させる。よって、パターンを移行させる機構は両アプローチで同一である。

たとえ上述の説明が多くの詳細な事項を含むとしても、これらは本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の現時点における好適実施例のいくつかを提供しているに過ぎない。従って本発明の範囲は当業者にとって明らかな他の実施例を十分含むし、本発明の範囲は添付請求項以外の何者によっても限定されないということは明らかである。

レーザードップラー変位干渉計を使用したレーザー剥離引っ張り強度測定システムの概略図である。従来技術の薄膜試料の架橋特性を試験する試験セットアップを図示している。従来技術の薄膜試料集合体断面の拡大図を図示している。レーザーフルエンスを増加させながらシリコン中での測定された応力パルスプロファイルを図示している。本発明に従った典型的な薄膜試料集合体の断面図である。レーザーフルエンスを増加させながらソーダライムガラスの応力波プロファイルのグラフを図示している。ソーダライムガラスの応力波プロファイルとＳｉの応力波プロファイルとを比較したグラフを図示している。それぞれ異なる種類のガラスにおける応力波プロファイルのグラフを図示している。ガラスのないＣｕ／ＴｉＮ／Ｓｉ系での破断位置を表す写真である。ガラスを有するＣｕ／ＴｉＮ／Ｓｉ系での破断位置を表す写真である。図７Ａの系の表面速度プロファイルと図７Ｂの系の表面速度プロファイルとを比較するグラフを図示している。図７Ａの系のＣｕ／ＴｉＮ界面での応力履歴と図７Ｂの系のＣｕ／ＴｉＮ界面での応力履歴とを比較するグラフを図示している。本発明に従ったナノワイヤの剥離及び取り込み集合体２００の概略図である。本発明に従ったナノワイヤの剥離及び取り込み集合体２００の概略図である。本発明に従った鉛の隆起物を有する多層プラスチック基板の断面図である。本発明に従ったフレキシブルプラスチックテープに捕らえられている、応力波で剥離された鉛の隆起物を図示する写真である。剥離された鉛の隆起物の焦点図を丸ごと図示する。ポリマー膜をスピンコーティングで塗布したポリシリコン表面を有する本発明に従った別の実施例を図示する。ポリマーホイルを使用した本発明の他の実施例を図示する。

Claims

基板とコーティングとの間で引っ張り応力を発生させる装置であって、
当該装置は：
第１軸の方向に第１面と第２面で画定される厚みを有する基板；
前記の基板の第１面に成膜されるコーティングであって、その際前記基板と共に前記第１軸に沿って互いに近接して配置されることでコーティング/基板界面を形成するコーティング；及び、
前記の基板の第２面に配置され、前記第１軸に沿って設けられているガラス素子；
を有し、
前記ガラス素子は応力波を前記コーティング／基板界面へ伝搬させ、前記基板と前記コーティングとの間に引っ張り応力を発生させるように構成されている、
装置。
前記引っ張り応力が、前記のコーティング／基板界面で前記基板から前記コーティングを剥離するようになっていて、かつ／又は、
前記ガラスは、前記第１軸を進行するＮｄ−ＹＡＧレーザービームによる作用によって前記応力波を伝搬させるように構成されている、
請求項１に記載の装置。
前記応力波が約５ｎｓから約１μｓの範囲の長さを有し、かつ希薄衝撃波の形式を有する、請求項１に記載の装置。
前記コーティングが約０．５μｍ未満の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
前記ガラス素子が前記の基板第２面に結合し、かつ約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
前記基板がシリコンを有する、請求項１に記載の装置。
前記ガラス素子に隣接して設けられている固定素子、及び前記固定層と前記ガラス素子との間に設けられるエネルギー吸収層をさらに有する、請求項１に記載の装置。
第１軸を横切るように設けられている第１面及び第２面を有する基板から、該基板と共に前記第１軸に沿って近接して配置されることで、前記基板との界面を形成するように、前記の基板の第１面に成膜されたコーティング、を剥離する方法であって：
ガラス素子を前記の基板第２面上で前記第１軸に沿って設置する工程；
前記ガラス素子へ前記第１軸方向にレーザーパルスを進行させる工程；
前記ガラス素子を介して応力波をコーティング／基板界面へ伝搬させることで前記基板と前記コーティングとの間に引っ張り応力を発生させる工程；及び
前記応力波が発生させる引っ張り応力によって、前記基板から前記コーティングを剥離する工程；
を有する方法。
前記の第１軸方向にレーザーパルスを進行させる工程が、前記第１軸方向にＮｄ−ＹＡＧレーザービームを進行させる工程を有する、請求項８に記載の方法。
前記の応力波を伝搬させる工程が、約５ｎｓから約１μｓの範囲の長さを有する応力波を伝搬させる工程を有する、請求項８に記載の方法。
前記応力波が、希薄衝撃波の形式を有し、かつ約５μｍ未満の厚さを有するコーティングを剥離するように備えられている、請求項１０に記載の方法。
前記の第１軸に沿ってガラス素子を配置する工程が、前記ガラス素子を前記の基板第２面に結合させる工程を有する、請求項１０に記載の方法。
前記ガラス素子が、パイレックス（登録商標）、ソーダライム、石英又はボロシリケートのうちの１つを有し、かつ約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項８に記載の方法。
前記ガラス素子の自由面に隣接する固定素子をさらに有する、請求項８に記載の方法。
前記ガラス素子の自由表面上で、かつ前記固定層と前記ガラス素子との間にあるエネルギー吸収層をコーティングする工程をさらに有する方法であって、前記の第１軸に沿ってレーザーパルスを進行させる工程が、前記ガラス素子をコーティングする前記エネルギー吸収層へ前記レーザーパルスを進行させる工程を有する、請求項１４に記載の方法。
前記のコーティング／基板界面での前記の応力波によって発生する応力が、約１．０ＧＰａ又は約２．０ＧＰａを超える、請求項８に記載の方法。
第１基板からナノ構造を剥離する装置であって：
前記ナノ構造の反対側である前記第１基板の背面上に配置されるガラス素子；及び、
前記ガラス素子へレーザービームを進行させるように構成されているレーザー光源；
を有し、
前記ナノ構造が第１基板前面に取り付けられていて、
前記ガラス素子は、前記レーザービームの作用によって応力波を前記ナノ構造へ伝搬させ、前記ナノ構造と前記第１基板との間に引っ張り応力を発生させ、前記第１基板から前記ナノ構造を剥離する、
装置。
前記レーザー光源がＮｄ−ＹＡＧレーザーを有する、請求項１７に記載の装置。
前記ガラス素子は、パイレックス（登録商標）、ソーダライム、石英又はボロシリケートのうちの１つを有する、請求項１又は１７に記載の装置。
前記固定層と前記ガラス素子との間に設けられているエネルギー吸収層をさらに有する、請求項１７に記載の装置。
前記の第１基板前面の反対側に位置する第２基板をさらに有する方法であって、前記第２基板は、一旦前記第１基板から剥離された前記ナノ構造を受け取るように構成されている、請求項１７に記載の装置。
前記第２基板上に設けられる架橋層、及び前記第２基板から前記第１基板を剥離する１つ以上のスペーサをさらに有する方法であって、前記架橋層は前記ナノ構造と前記第２基板との間の結合を形成するように構成されている、請求項１７に記載の装置。
シリコンプラットフォームを受け取り基板に移行する装置であって：
前記シリコンプラットフォームの背面上に設けられるガラス基板；及び、
前記ガラス素子へレーザービームを進行させるように構成されているレーザー光源；
を有し、
前記ガラス素子はレーザービームが作用することで、前記シリコンプラットフォームと前記ガラス基板との間に引っ張り応力を発生させるようになっていて、かつ、
前記引っ張り応力は前記受け取り基板へシリコンプラットフォームを受け渡すようになっている、
装置。
前記シリコンプラットフォームの反対側で前記ガラス基板に隣接するエネルギー吸収層をさらに有する装置であって、
前記エネルギー吸収層及び前記ガラス基板は前記ガラス基板を通り抜けるように応力波を伝搬させ、前記シリコンプラットフォームと前記ガラス基板との間に前記引っ張り応力を発生させる、
請求項２３に記載の装置。
前記レーザービームが、前記ガラス基板を通り抜けることで、前記シリコンプラットフォームと前記ガラス基板との間に前記引っ張り応力を発生させ、
前記シリコンプラットフォームは１つ以上の回路を有し、
前記受け取り基板はポリマーを有し、かつポリマー膜でスピンコーティングされる、
請求項２３に記載の装置。
基板とコーティングとの間に引っ張り応力を発生させる装置であって、
当該装置は：
第１軸の方向に第１面と第２面で画定される厚みを有する基板；
前記の基板の第１面に成膜されるコーティングであって、その際前記基板と共に前記第１軸に沿って互いに近接して配置されることでコーティング/基板界面を形成するコーティング；及び、
前記基板の前記第２面に配置され、前記第１軸に沿って設けられているガラス素子；
を有し、
前記ガラス素子は応力波を調節し、かつ前記応力波を前記コーティング／基板界面へ伝搬し、前記基板と前記コーティングとの間に引っ張り応力を発生させるように構成されている、
装置。
第１軸を横切るように設けられている第１面及び第２面を有する基板から、該基板と共に前記第１軸に沿って近接して配置されることで、コーティング/基板界面を形成するように、前記基板の前記第１面に成膜されたコーティング、を剥離する方法であって：
ガラス素子を前記の基板第２面上で前記第１軸に沿って設置する工程；
前記ガラス素子へ前記第１軸方向にレーザーパルスを進行させる工程；
前記ガラス素子を介して応力波を調節し、かつ前記応力波をコーティング／基板界面へ伝搬させることで前記基板と前記コーティングとの間に引っ張り応力を発生させる工程；及び
前記応力波が発生させる引っ張り応力によって、前記基板から前記コーティングを剥離する工程；
を有する方法。
第1基板の前面に取り付けられたナノ構造を、前記第1基板から剥離する装置であって、
当該装置は：
前記ナノ構造に対向する前記第1基板の背面に設けられたガラス素子；及び
前記ガラス素子へレーザービームを導光するように備えられたレーザー源；
を有し、
前記ガラス素子は、前記レーザービームが衝突した結果、応力波を調節し、かつ前記応力波を前記ナノ構造へ伝搬して、前記ナノ構造と前記第1基板との間に引っ張り応力を発生させることで、前記第1基板から前記ナノ構造を剥離する、
装置。