[发明专利]用于自发式材料剥落的低温方法

说明书

技术领域

本公开涉及半导体器件制造，更具体地，涉及利用低温自发式剥落来控制表面层从基体衬底（base substrate）的分离（removal）的方法。

背景技术

可以以薄膜形式制造的器件具有优于其体对应物（bulk counterpart）的三个明显的优点。首先由于使用了较少的材料，薄膜器件改善了与器件制造相关的材料成本。其次，低的器件重量是明确的优点，该优点激发了用于宽范围的薄膜应用的行业级的努力。第三，如果尺寸足够小，器件可以其薄膜形式呈现机械柔性。此外，如果从可重复利用的衬底分离器件层，则可以实现额外的制造成本降低。

正在进行努力以（i）从体材料（即，半导体）产生薄膜衬底以及（ii）通过从下伏的（underlying）体衬底（薄膜器件层在其上形成）分离器件层而形成薄膜器件层。使用已知为剥落的方法，已经成功展示了这样的应用所需的受控制的表面层分离；参见Bedell等人的序列号为2010/0311250的美国专利申请。剥落包括将应力源层沉积在衬底上、将可选的处理衬底（handle substrate）置于应力源层上以及在衬底/应力源界面下方诱导裂缝（crack）及其传播。在室温下执行的该方法分离出应力源层下方的基体衬底的薄层。“薄”是指层厚度典型地小于100微米，其中小于50微米的层厚度更典型。

裂缝传播的深度受到应力源层厚度、应力源层的固有张应力、以及正被剥离（剥落）的基体衬底的断裂韧度的控制。然而，利用现有技术剥落工艺难以实现对释放层处理的引发（裂缝引发（crack initiation）和传播）以及被剥落的材料的厚度的均匀性的控制。

发明内容

本公开提供了用于以下（i）和（ii）的方法：（i）在材料剥落过程中引入额外的控制，由此改善裂缝引发和传播，以及（ii）增加可选择的剥落深度的范围。本公开的方法是在低于室温下进行的自发剥落方法，而不是像例如在Bedell等人的序列号为2010/0311250的美国专利申请中公开的在室温下进行的机械剥落方法。

“自发的”的意思是在不需要使用任何手动手段来引发（initiate）用于使薄材料层从基体衬底分裂开的裂缝形成和传播的条件下发生该薄材料层从基体衬底的分离。“室温”的意思是从15℃到40℃的温度。“低温剥落”的意思是在低于室温的温度下材料层从基体衬底分离。

在一个实施例中，本公开的方法包括：在第一温度下在基体衬底的表面上设置应力源层，所述第一温度为室温；使包括所述应力源层的所述基体衬底处于低于室温的第二温度；在所述第二温度下剥落所述基体衬底以形成剥落的材料层；以及将所述剥落的材料层恢复到室温。

在另一个实施例中，所述方法包括：在第一温度下在基体衬底的表面上设置应力源层，所述第一温度为室温；使包括所述应力源层的所述基体衬底处于低于206开尔文（K）的第二温度；在所述第二温度下剥落所述基体衬底以形成剥落的材料层；以及将所述剥落的材料层恢复到室温。

在再一个实施例中，所述方法包括：在第一温度下在基体衬底的表面上设置剥落诱导带层（spall inducing tape layer），所述第一温度近似为室温或略高（例如，15℃到60℃）；使包括所述剥落诱导带层的所述基体衬底处于低于室温的第二温度；在所述第二温度下剥落所述基体衬底以形成剥落的材料层；以及将所述剥落的材料层恢复到室温。

在又一个实施例中，本公开的方法包括：在基体衬底的表面上设置二部分（two-part）应力源层，其中该二部分应力源层的下部在第一温度下形成，所述第一温度近似为室温或略高（例如15℃到60℃），其中该二部分应力源层的上部包括在辅助温度下的剥落诱导带层，所述辅助温度为室温；使包括所述二部分应力源层的所述基体衬底处于低于室温的第二温度；在所述第二温度下剥落所述基体衬底以形成剥落的材料层；以及将所述剥落的材料层恢复到室温。

通过使用上述方法之一，由于有差别的热膨胀、裂缝前缘（crackfront）处的晶体结构改变、低于室温下的断裂韧度值差异，诱导材料剥落的有效应力被调整，以达到剥落型断裂所需的应力状态（stress regime），该应力状态是使用在序列号为2010/0311250的美国专利申请中公开的室温剥落技术所无法达到的。