TWI639498B - 將一個固態物分離成多個固態層之組合製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於製造固態層的方法。此製造方法包括至少下列步驟：提供一固態物(2)，用於分離成許多固態層(4)；導入或產生缺陷到固態物(2)中，以預先決定第1釋放平面(8)，第1固態層(4)沿此第1釋放平面(8)從固態物(2)分離；提供一接受層(10)，用於將固態層(4)保持在固態物(2)上；施加熱能到接受層(10)，用以在固態物(2)中產生應力，尤其是機械應力，由於應力使一龜裂沿著釋放平面(9)在固態物(2)中擴散，此龜裂使第1固態層(4)從固態物(2)分離；然後提供一第2接受層，用於將另一固態層(5)保持在已經減少第1固態層(4)後的固態物(2)上；導入或產生缺陷在固態物(2)中，用以預先決定第2釋放平面(9)，第2固態層(5)沿此第2釋放平面(9)從固態物(2)分離；施加熱能到第2接受層，以在固態物(2)中產生應力，尤其是機械應力，由於應力使一龜裂沿著第2釋放平面(9)在固態物(2)中擴散，此龜裂使第2固態層(5)從固態物(2)分離。

Description

將一個固態物分離成多個固態層之組合製造方法
本發明係關於一種用於依照請求項1之主體物件製造固態層之方法及關於依此方法製造的晶圓(請求項10)。
在許多科技領域中(如微電子或光電科技)，如矽、鍺或藍寶石之材料經常以圓盤薄片或板(所謂晶圓)的型式被使用。目前的標準程序係藉切割一晶圓錠來製造此等晶圓，但此晶圓錠會產生較大的材料損耗(切口損耗kerf loss)。因為使用的源材料往往很昂貴，因此製造此等晶圓時均盡力來減少材料損耗及更有效率且降低成本。
例如，以目前通常的方法，當製造太陽能電池用的矽晶圓時幾乎使用材料之50%係以切口損耗的形式遭受損失。若以全球計算，此相當於年超過20億歐元的損失。因為晶圓的成本構成太陽電池完成品之成本的最大部分(超過40%)，對晶圓製造之適當改善會顯著地降低太陽電池之成本。
藉著使用溫度感應應力而免除傳統切割且如可直接從較厚工件分離出晶圓的方法，似乎對此種無任何切割損耗(無切口之晶圓切割)的晶圓製造很有吸引力。尤其，此等方法包含如PCT/US2008/012140及PCT/EP2009/067539所敘述的方法，其中黏貼到工件的聚合物層被用來產生此等應力。
在上述方法中，聚合物層具有熱膨脹係數比工件大約兩階(order)。再者，藉著使用玻璃轉變(glass transition)，在聚合物層中可達成相當高的彈性模數，因而在聚合物層/工件系統中可藉冷卻而誘發充分大的應力，以使晶圓從工件分離出。
當從工件分離出一晶圓時，在上述方法的每一個中聚合物仍黏著到晶圓的一側。晶圓在此很強烈地朝向此聚合物層彎曲，且此會使得受控制的分離變困難且導致如分離後晶圓之厚度的變化。再者，強烈的曲率使得額外的加工變成困難且甚至導致晶圓破裂。
當使用先前技術的方法時，所製造的晶圓通常具有主要厚度變化以及往往顯示具有四重對稱的圖案的空間厚度變化。當使用先前方法時考慮整體晶圓時整體厚度變化(TTV)往往超過平均晶圓厚度之100%(例如在最薄點為50微米厚且在最厚點為170微米厚而具有平均厚度為如100微米的晶圓，具有170-50=120微米之TTV，且此相對於其平均厚度係相當於120%的整個厚度變化)。具有此等強烈厚度變化的晶圓不適合於許多應用。再者，以最常發生的四重厚度分佈圖案，具有最大 變化的區域很不幸地發生在晶圓的中間，而此處最易破斷。
再者，在依照目前之先前技術的方法中，在本身分離的期間斷裂傳播之時，會在相關層系統中產生非所要的振盪，且此會在斷裂前方的發展有負面效應，且尤其會在分離晶圓中導致重大的厚度變化。
除此之外，以先前方法係難以保證在聚合物層之整體表面上可再生良好熱接觸。但是，由於所使用聚合物之低熱傳導率，局部不充分的熱接觸會在層系統中導致非所要顯著的局部溫度變化，此局部溫度變化在其部分上產生的應力場之可控制性上及在產生的晶圓之品質上有負面效應。
另一個不需要任何切割即可取得分離晶圓的方法，係敘述在專利公告DE692 31 328 T2中。依照此公告，具150keV之H+離子藉著離子植入被導入到一單晶矽板內。H+離子在此係以受控制方式被導入矽板內，使得H+離子大致位於板內一被定義之平面上。在此植入之H+離子的劑量係大於1018cm-2，藉此，由於矽板加熱到超過500℃的溫度，被導入之離子產生接合(coalescence)且此會導致鄰近被導入離子之平面的矽板之一些部分的分離。
此方法非常地資本密集且複雜，因為必須裝設極度昂貴且具對應的控制裝置之離子槍。又，離子之植入由於高劑量而花費很長的時間。又，矽板之加熱需要施加高能量，且使得會被此種高溫破壞的電氣元件無法在加熱前裝設在矽板上。
因此，本發明之一目的在提供一種製造固態層的方法，其能在低成本下製造厚度一致尤其是小於120微米之整體厚度變化(TTV)的固態板或晶圓。
上述目的係依照請求項1中用於製造固態層的方法而達成。至少，此方法包括下列步驟：提供用於分離成許多固態層的一固態物；導入或產生缺陷到固態物中以預先決定一第1釋放平面，第1固態層沿此第1釋放平面從固態物分離；提供一接受層，用於將固態層保持在固態物上；施加熱能到接受層，以在固態物中產生應力，尤其是機械應力，由於應力使一龜裂沿著釋放平面在固態物中擴散，此龜裂使第1固態層從固態物分離；然後提供一第2接受層，用於將另一固態層保持在已經減少第1固態層的固態物上；導入或產生缺陷在固態物中，以預先決定第2釋放平面，第2固態層沿此第2釋放平面從固態物分離；施加熱能到接受層，以在固態物中產生應力，尤其是機械應力，由於應力使一龜裂沿著第2釋放平面在固態物中擴散，此龜裂使第2固態層從固態物分離。
產生釋放平面的步驟及施加另外接受層的步驟，以及施加熱能到位於固態物上的聚合物層以在固態物中產生應力尤其是機械應力的步驟，可依使用者反覆要求反覆進行或實施。較佳為，藉著本發明之方法，超過或等於3,4,5,6,7,8,9,10,15,20,25個第3層或晶圓可從固態物分離。僅固態物之厚度或軸方向長度及分離層之厚度或軸方向長度會預先決定重複最大次數之限制。
此解決方案係有利的，因為多個固態層可被分離且尤其能以有利方式從固態物分離。缺陷之導入或產生會引起預定之破裂平面之產生或藉應力啟動及/或引導之龜裂的導引。只要可從一個固態物獲得越多固態層的話，產生的固態層之整體厚度變化能藉本發明之方法而降低。
另一較佳實施例係附屬請求項之主要請求物件及下列說明。
依照本發明之一個較佳實施，用於釋放固態層之應力係藉施加熱能到各個接受層、尤其是各個聚合物層而從固態物產生。熱能之施加較佳為包含接受層或聚合物層之冷卻到周遭溫度或以下且較佳為到10℃以下，尤其較佳為到0℃以下且更佳為到-10℃以下。聚合物層之冷卻最佳為進行到使得聚合物層、較佳為由聚二甲基矽氧烷(PDMS)製成之聚合物層至少局部進行玻璃轉變。在此，冷卻可被冷卻到-100℃以下，此可如藉液態氮達成。本實施例係有利的，因為聚合物層視溫度變化而收縮及/或進行玻璃轉變，且藉由使機械應力能在固態物中產生而將在此產生的力轉移到固態物，此應力會導致龜裂的啟動及/或龜裂之傳播，龜裂起初沿著第1釋放平面擴散以分離固態層。
依照本發明之一個較佳實施，由於第1固態層之分離而暴露的固態物之表面的機械加工，係個別在施加熱能到聚合物層以產生用於釋放第1固態層之應力的步驟之後、及在固態物中導入或產生缺陷以預先決定 第2釋放平面的步驟之前分別進行。此機械加工步驟可永遠在施加熱能到聚合物層以產生用於釋放第1固態層之應力的步驟之後、及在固態物中導入或產生缺陷以預先決定另一釋放平面的步驟之前進行。由於依照本發明之有利的方法，若有的話亦僅固態物之很小部分需要機械加工或研磨。然而，此加工步驟能導致一很水平的表面且改善在固態物結構內導入或產生缺陷。
依照本發明之另一個較佳實施，缺陷之導入係藉導入離子而產生，一輻射源被設置用來提供被導入到固態物內的離子，輻射源被排列成使得由其射出之離子能穿入固態物。在與應力感應的龜裂傳播及龜裂啟動相關的方面，本實施例係有利的，與單純基於離子植入的固態層之產生比較，很明顯地更有利更快速且更有能源效益。再者，由不同材料製成的更多固態物能使用此方法被分割為固態層，因為加工溫度明顯地低。本發明之另一優點，由於植入離子的結果，藉由使龜裂或龜裂之傳播可被管理且引導，釋放平面或缺陷層可在固態物中產生，且能達成非常小的整體厚度變動(TTV)，尤其是小於100微米、或小於80微米、或小於60微米、或小於40微米、小於20微米、小於10微米、小於5微米。離子植入因而創造出在固態物內之穿孔型式，龜裂傳播沿著此穿孔進行且固態層沿著此穿孔從固態物分離。因而至少一個或就是一個輻射源較佳為排列為使得其所射出之離子能穿透入固態物內。輻射源較佳為用來提供H+離子或惰性氣體離子，如材料氦、氖、氪、氙，其餘未 特定的惰性氣體之離子亦可被使用。又，上述材料及/或另外材料之離子可分別使用或結合使用或同時使用或一個接一個使用。
依照本發明之另一個較佳實施，固態物被暴露到預定之離子劑量，預定劑量為小於或等於5+1016cm-2、小於1015cm-2、或小於1014cm-2或小於1013cm-2。本實施例係有利的，因為藉著低劑量，缺陷在固態物內產生而引起有利的龜裂引導，但是植入時間很短。除此之外、或者，固態物被回火以防止被導入固態物內的離子之接合。接合通常象徵著膠體微粒流動在一起。膠體在此被視為細微地分佈在擴散媒介物(固態物)中之微粒或離子。本實施例係有利的，因為不僅可以加工溫度穩定(temperature-stable)的固態物，溫度為關鍵(temperature-critical)的固態物或具有溫度為關鍵的元件(例如：電子元件)的固態物亦可加工，該等係在超過50℃、或超過100℃、或超過200℃、或超過300℃、或超過400℃、或超過500℃的溫度下會受破壞。
依照本發明之另一個較佳實施，缺陷之產生係藉著雷射型式之至少一個輻射源而引起，由輻射源射出的射線在固態物之預定點產生缺陷。本實施例係有利的，因為由於輻射源，釋放層或缺陷層可在固態物中產生，藉此使龜裂在龜裂之傳播期間可被導向或引導，且能精確地達成很小的整體厚度變動(TTV)，尤其是小於100微米、或小於80微米、或小於60微米、或小於40微米、小於20微米、小於10微米、小於5微米。將輻 射應用在晶圓或固態層因而創造出在固態物內之穿孔型式，龜裂傳播沿著此穿孔進行且固態層沿著此穿孔從固態物分離。
依照本發明之另一個較佳實施，輻射源(例如以離子槍或雷射之型式)被安裝成從其射出以產生釋放平面之射線穿透到固態物內而至界定的深度，尤其是小於100μm。較佳為，釋放平面被形成與固態物之外表面較佳為水平表面隔開且平行。較佳為，釋放平面被形成於固態物內，與固態物之水平表面隔開小於100微米，且較佳為小於50微米，且特別較佳為小於或等於20,10,5或2微米。
依照本發明之另一個較佳實施，固態物包括矽及/或鎵及/或陶瓷材料，尤其是鈣鈦礦材料，且接受層較佳為包含一聚合物層，聚合物層及/或保持層係至少局部且較佳為整體由超過75%之聚二甲基矽氧烷(PDMS)製成，保持層係位於穩定裝置的至少局部水平表面上，該穩定裝置係至少局部由至少一種金屬製成。穩定裝置較佳為一板片，尤其是包含鋁或由後者製成之板片。本實施例係有利的，因為藉著穩定裝置及保持層，固態物確實地形成且被保持，藉此，應力可很精確地在固態物內產生。
依照本發明之另一個較佳實施，固態物中的應力可被設定或產生為使得龜裂啟動及/或龜裂傳播可受控制，以產生在龜裂平面中生成的表面形貌(topography)。因此，應力較佳為能以不同的強度在固態 物的不同區域中產生，較佳為至少不時地產生。本實施例係有利的，因為藉著控制龜裂啟動及/或龜裂發展，產生的或分離的固態層之形貌能有利地被影響。
固態物較佳為包括元素之周期表的主群3,4及5其中的一個之材料或材料之結合，如Si,SiC,SiGe,Ge,GaAs,InP,GaN,Al2O3(藍寶石),AIN。
尤其較佳為，固態物包括周期表中第3及第5群中之元素的結合。砷化鎵,矽,碳化矽等為可能材料或材料的結合之例。又，固態物可包括一陶瓷(如Al2O3氧化鋁)或由陶瓷製成，較佳之陶瓷，在此通常如鈣鈦礦陶瓷(如含有Pb,O,Ti/Zr之陶瓷)，及鈮鎂酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鋰、釔鋁石榴石，尤其是在特殊情況用於固態物雷射應用的釔鋁石榴石晶體，SAW(表面音波)陶瓷，如鈮酸鋰,磷酸鎵,石英,鈦酸鈣等。因而，固態物較佳為包括半導體材料或陶瓷材料或特佳為由至少一種半導體材料或陶瓷材料製成之固態物。又，固態物亦可包括透明材料或局部由透明材料製成或由透明材料如藍寶石製成。在此，其他材料本身或與另外之材料結合可被作為固態物材料為如「寬帶隙」材料，InAlSb，高溫超導體，尤其係稀土銅氧化物(如YBa2Cu3O7)。
又，本發明係關於一種依照請求項1至9項中任一項的方法所製造的晶圓。
又，公告PCT/US2008/012140及PCT/EP2009/067539的主體物件係完全參照本專利申請案之主體物件而製成。同樣地，亦由本申請人在本專利申請 案申請日期提出且關於固態物之製造的領域之所有另外之專利申請案之主體物件，完成本專利申請案之主體物件。
2‧‧‧固態物
18‧‧‧輻射源
14‧‧‧第1水平表面部
16‧‧‧第2水平表面部
6‧‧‧離子
7‧‧‧射線
12‧‧‧保持層
20‧‧‧另外之層
10‧‧‧聚合物層
4‧‧‧固態層
8‧‧‧釋放平面
10‧‧‧接受層
本發明另外之優點、目的及特性將由下列附圖之說明來解釋，其中依照本發明之晶圓製造方法係以例子說明。在附圖中依本發明之晶圓製造的元件或元素至少在實質關於其等之功能上係彼此對應的，在此係賦予相同參考符號，此等元件或元素不一定在所有圖中都被顯示或標以符號。
下列說明之圖面的個別或所有顯示宜視為係設計圖面，即由圖面顯示的尺寸、比例、功內容及/或配置較佳為精確地或較佳為實質上對應於本發明之裝置或對應於依本發明之產品。
圖面顯示如下。
第1a圖係用於在一固態物中產生缺陷的概略結構圖；第1b圖係從一固態物分離一固態層之前的層配置之概示圖；第1c圖係從一固態物分離一固態層之後的層配置之概示圖；第2圖係從一固態物分離許多固態層之圖。
在第1a圖中顯示固態物2或基板位於輻射源18尤其是一雷射或離子槍之區域中。固態物2較佳為具有第1水平表面部14及第2水平表面部16，第1水平表面部14較佳為大致或精確地與第2水平表面部16平行。第1水平表面部14及第2水平表面部16較佳為在宜為垂直地排列之Y方向中構成固態物2之界限。水平表面部14及16較佳為個別在X-Z平面中延伸，X-Z平面較佳為水平地排列。又，從此圖中可得知，輻射源18將離子6或射線7射出到固態物2上。若輻射源18為一離子源6之形式的話，離子6深入地穿入根據外型定義的固態物2內，且停留在該處。若輻射源18為一雷射之形式的話，射線6或光波穿入固態物且在預定位置產生缺陷。
在第1b圖中顯示一多層配置，固態物2包含釋放平面8且被裝設在具一保持層12的第1水平表面部14的區域，保持層12接著宜為被一另外之層20所覆蓋，另外之層20宜為一穩定裝置，尤其是一金屬板。一聚合物層10宜設於固態物2之第2水平表面部16上。聚合物層10及/或保持層12宜至少局部由PDMS製成，整體由PDMS製成尤佳。
在第1c圖中，顯示龜裂啟動後及隨後龜裂之引導之狀態。固態層4黏著到聚合物層10且與固態物2其餘部分隔開一距離或隔開。在進一步將缺陷導入或產生在固態物2之前或之後，另一種聚合物層被進一步施 加在固態物2由於第1固態層4分離而暴露的表面上。較佳為，在固態層4,5各自從固態物2分離之後，一聚合物層被施加到固態物2之暴露表面，尤其只要固態物2之其餘厚度仍然適合於分離成兩個晶圓的話。
在第2圖中，顯示固態物2四個不同的概圖。每一圖示中固態物2具有不同的軸向長度(在Y方向)。固態物2之長度從圖示I.到圖示IV.皆不同，因為固態層4,5,40不斷地從I.-IV.移除使其變得越來越短，即II.中顯示的固態物2由於顯示於I.中的固態物4而縮短，因為第1固態層4沿著釋放平面8分離或釋放。在IV.中，固態物2形成一長度，其較佳或大致容許分離為宜具有相等長度(在Y方向中)之兩個固態層，如前面已從固態物2分離之固態層4,5。
在此，固態物2可在固態層4分離之後藉研磨程序而進行處理，藉此，固態物之軸向長度亦可減少。但是，藉研磨使固態物2之軸向長度的減少無法從圖示得知。
故，本發明係關於一種用於製造固態層4的方法。此製造方法在此較佳為包括至少下列步驟：提供用於分離成許多固態層4的一固態物2；導入或產生缺陷到固態物2中，以預先決定一第1釋放平面8，第1固態層4沿此第1釋放平面8從固態物2分離；提供一接受層10，用於將固態層4保持在固態物2上； 施加熱能到接受層10，以在固態物中產生應力，尤其是機械應力，由於應力使一龜裂沿著釋放平面8在固態物2中擴散，此龜裂使第1固態層4從固態物2分離；提供一第2接受層，用於將另一固態層5保持在固態物2上；導入或產生缺陷在固態物2中，用以預先決定第2釋放平面9，第2固態層5沿此第2釋放平面9從固態物2分離；施加熱能到第2接受層，以在固態物2中產生應力，尤其是機械應力，由於應力使一龜裂沿著第2釋放平面9在固態物2中擴散，此龜裂使第2固態層5從固態物2分離。

Claims (10)

  1. 一種用於製造固態層的方法，此製造方法包括至少下列步驟：提供一固態物(2)，用於分離成許多固態層(4)，該固態物具有第1水平表面部及第2水平表面部；使用雷射束在該固態物(2)內引起或產生缺陷，以預先決定一第1釋放平面(8)，第1固態層(4)沿此第1釋放平面(8)從該固態物(2)分離，該雷射束經由該第2水平表面部穿透到固態物；提供一接受層(10)，用於將該固態層(4)保持在該固態物(2)之該第2水平表面部上，該接受層為一聚合物層之形式；施加熱能到該接受層(10)，用以在該固態物(2)中產生應力，該熱能之施加包含冷卻該接受層到周遭溫度以下，該冷卻的進行使得該聚合物層經歷玻璃轉變，並且由於該應力使一龜裂沿著釋放平面(8)在該固態物(2)中擴散，此龜裂使該第1固態層(4)從該固態物(2)分離，其中該第2水平表面部為該第1層的一部分，及其中決定該第1釋放平面比該第1水平表面部更靠近該第2水平表面部；導入或產生缺陷在該固態物(2)中，用以預先決定第2釋放平面(9)，使第2固態層(5)沿此第2釋放平面(9)從該固態物(2)分離，接著提供一第2接受層，用於將另一固態層(4)保持在已經減少該第1固態層(4)後的固態物(2)上；施加熱能到該第2接受層，以在該固態物(2)中產生應力，由於應力使一龜裂沿著該第2釋放平面(9)在該固態物(2)中擴散，此龜裂使該第2固態層(5)從該固態物(2)分離。
  2. 如請求項1之方法，其中藉該第1固態層(4)之分離而暴露的該固態物(2)之表面的機械加工，係個別在施加熱能到聚合物層以產生用於釋放該第1固態層(4)之應力的步驟之後、及在該固態物(2)中導入或產生缺陷以預先決定該第2釋放平面(9)的步驟之前分別進行。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該缺陷之導入係藉導入離子(8)而產生，一輻射源(18)被設置用來提供被導入到該固態物(2)內的該離子(6)，該輻射源(18)被排列成使得由該輻射源(18)射出之該離子能穿入該固態物(2)內。
  4. 如請求項3之方法，其中該輻射源(18)被設置成從其射出以產生該釋放平面(8)之該離子(6)穿入該固態物(2)內而至界定之深度。
  5. 如請求項3之方法，其中該固態物(2)暴露到離子(6)之一預定劑量，此預定劑量係小於1015cm-2，且該固態物(2)被回火以防止被導入該固態物(2)內的該離子(6)接合。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該缺陷之產生係藉至少一個雷射形式之該輻射源(18)所引起，該輻射源射出之射線(7)在該固態物(2)內之預定點產生該缺陷。
  7. 如請求項6之方法，其中該輻射源(18)被設置成使從其射出以產生該釋放平面(8)之該射線(6)穿入該固態物(2)內到小於100μm。
  8. 如請求項1之方法，其中該固態物(2)包括矽及/或鎵及/或陶瓷材料，且該接受層包含一聚合物層(10)，該聚合物層及/或保持層(12)係至少局部由PDMS製成，該保持層(12)係設置在一穩定裝置(20)的至少局部水平表面上，該穩定裝置(20)至少局部係由至少一種金屬製成。
  9. 如請求項中1之方法，其中該固態物(2)中的該應力可被設定為使龜裂啟動及/或龜裂傳播可受控制，以產生在龜裂平面中生成之受定義的表面形貌。
  10. 一種如請求項1至9中任一項之方法所製造的晶圓。
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