CN103814435A - 用于使层从复合结构分离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使层（115）从复合结构（125）分离的方法，该结构包括至少由在确定波长下部分透明的支承衬底（105）、将被分离的层（115）和置于支承衬底和将被分离的层之间的分离层（110）形成的复合堆叠，该方法包括通过在确定波长下的入射光线（124a）穿过支承衬底（105）照射分离层（110），以通过剥离分离层诱发弱化或分离，光线被倾斜以形成入射角θ，使得θ≥θ_min,其中θ_min＝sin^-1((n₁/n₀)sin(tan^-1(S/2h)))，n1和n0分别为支承衬底的折射率和与所述光线所来自的支承衬底（105）接触的外部介质（130）的折射率，S为所述光线的宽度和h为支承衬底的厚度。

Description

用于使层从复合结构分离的方法

技术领域

本发明涉及制造复合（或多层）半导体结构的领域，并且更具体地涉及通过剥离分离的方法，使得可以例如在将层从初始支承物转移到最终支承物的范围内脱离复合结构的一个或多个层。

背景技术

在制造复合结构的领域中，能够组装和/或分离薄膜或层（诸如，例如半导体或绝缘层）通常是有用的。为了将层从初始衬底转移到最终衬底，这种分离是尤为必要的。例如，这些转移在三维组件技术的实现过程中实施，三维组件技术涉及在相同层的两个面（“正面”和“背面”）上形成电子、光伏和/或光电子部件（3D集成）。为了在制造背面照射成像器的过程中转移电路，也实施层转移。层的转移还对改变其上形成一个或多个层的衬底有用，使得新的衬底满足特别是成本、物理特性（单元大小、热稳定性...）等方面的要求。

例如，在专利文献EP0858110中所描述的薄膜转移的方法。该方法具体提供在通过剥离分离的技术的帮助下分离薄膜，该技术具体需要通过透明衬底照射复合结构。

现将参照图1描述用于制造复合结构的方法（步骤S1和S2）和通过剥离分离的方法的示例性实施方案。

首先，通过键合到支承衬底5的一个面上组装所谓的分离层10（或光吸收层）（步骤S1）。支承衬底5在预定波长下至少部分透明。

通过键合到与接触支承衬底5一侧相反侧的层10的面上而后续组装层15（也称为“将被分离的层”），以获得复合结构25（步骤S2）。

将注意，在步骤S1和S2期间的层5、10和15的组装可通过任何合适的组装技术实施，诸如，例如键合或涉及中间键合层的分子粘附技术。

此外，不一定通过键合来组装层10和15以形成复合结构25。作为变形，层10和15中的至少一个可由合适的沉积技术形成。例如，分离层10可通过PECVD（等离子体增强化学汽相沉积）或LPCVD（低压CVD）沉积形成。

一旦复合结构25已被形成，可通过剥离实施分离层10的分离。该方法可以使层15从支承衬底5脱离。

为了这个目的，通过穿过支承衬底5的电磁辐射20照射分离层10（步骤S3）。辐射20在使支承衬底5至少部分透明的波长下。这里，“部分透明”旨在表示在所讨论的波长下衬底透射率为至少10%，并且优选地大于或等于50％的衬底。如下所表明的，所需的透明度的水平将根据分离层10所接收的电磁束20的能量的量而改变。

在该照射步骤S3期间，分离层10吸收通过支承衬底5和分离层10之间的界面8的入射光。该照射导致分离层10的材料中的原子或分子之间的粘附力的减小或消除。这是由于在辐射20的作用下，组成分离层10的材料经受光化学和/或热激发，其导致原子或分子链的断裂。因此，这些断裂导致通过在层10的实际厚度中（所谓的“内部”剥离）或在层10和支承衬底5之间的界面8处或在层10和将被分离的层15之间的界面12处（所谓的“界面”剥离）的剥离来分离分离层10。该剥离现象还可涉及在辐射20的作用下由分离层10的材料释放的一种或多种气体。

应当注意，由辐射20诱发的分离不一定会导致分离层10中（或在界面8和12中的一个处）的脱离或实际分离，但可简单地导致分离层10的材料的弱化。在后一种情况下，为了获得支承衬底5和层15之间的实际脱离（如果该脱离是实际需要的），必须应用附加的能量（例如，以机械力形式的）。

一旦衬底5和层15已经完全分离（步骤S4），为了形成新的复合结构，支承衬底5可被重复利用。

当前，根据图1的布局生产的复合结构通常具有以下组分中的一个：

-GaN/Al₂O₃，其与由GaN组成的分离层10和由蓝宝石组成的支承衬底5对应；

-Si₃N₄/Al₂O₃，其与由Si₃N₄组成的分离层10和由蓝宝石组成的支承衬底5对应。

对于这些组分，就通过脱离的分离的质量方面结果一般令人满意。当沉积在蓝宝石衬底上的GaN的层被分离时，例如，在良好的条件下进行辐射20的应用（通常在190nm和250nm之间的波长下）并且在没有任何特别的困难的情况下获得分离。

然而，申请人观察到当将该分离方法应用于其他组分的复合结构25时结果可显著降低。例如，对于SiO2/Si类型的复合结构25（也即，硅上二氧化硅），通过剥离分离是更加困难的。申请人已根据所研究的多个批次观察到在通过剥离分离的质量方面的大的变化和一般需要更多暴露于辐射的更少的均匀分离。

因此，当前存在对于一种用于传统复合结构和用于非传统组分的复合结构两者的在质量、效率和均匀性方面给出更好结果的通过剥离分离的方法的需要。

发明内容

为了达到上述目的，本发明涉及一种用于使层从复合结构分离的方法，该复合结构包括至少由以下形成的复合堆叠：

-支承衬底，该支承衬底由在确定波长下至少部分透明的材料形成；

-将被分离的层；以及

-置于支承衬底和将被分离的层之间的分离层，所述方法包括通过在确定波长下的至少一个入射光线穿过支承衬底照射分离层，以通过剥离分离层诱发弱化或分离。

其中，入射光线倾斜以形成入射角θ，使得θ≥θ_min，其中θ_min＝sin^-1((n₁/n₀)sin(tan^-1(L/2h)))，其中n1和n0分别为支承衬底的折射率和与光线来自其中的支承衬底接触的外部介质的折射率，L为所述光线的宽度以及h为光线所通过的支承衬底的厚度。

根据本发明的光线的倾角一方面可以在通过剥离分离的方法中有利地限制或避免支承衬底的厚度中的入射光线之间的光交互作用，以及另一方面可以有利地限制或避免通过支承衬底和分离层之间的界面反射的光线。

因此，本发明的方法可以减少、或甚至防止支承衬底中的入射光线和经反射的光线之间的光干涉。由于干涉可能是破坏性的，因此该光干涉的减少或消除可以有利地减少在通过剥离分离的方法中根据支承衬底的厚度的实际被传输的能量的变化。此外，本发明可以最大化实际传输到分离层中的能量的量。

因此，大大提高了通过支承衬底和将被分离的层之间的通过剥离分离的质量和再现性。本发明尤其可以在具有与通常所使用的复合结构不同的组分并且对光干涉特别敏感的复合结构上实施通过剥离的分离。

在具体实施方案中，入射角θ使得θ≤θ_max，其中θmax由以下方式定义：θ_max＝tan^-1(n₁/n₀)。换句话说，最大限度θmax等于布鲁斯特角。

布鲁斯特角限定入射角θ的最大限度，超过该最大限度，入射光线的所有光强度在支承衬底的暴露的表面上被反射。

如以下更详细所述的，只有θmax>θmin，该实施方案才是可行的。该实施方案可以最大化照射步骤期间实际传输至分离层的光能量的量。

此外，支承衬底可由硅组成以及分离层可由二氧化硅组成。

附图说明

参照所附附图的以下给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图示出了非隐含限制的示例性实施方案。在附图中：

-图1示意性地表示用于制造复合结构的已知方法，以及应用至所述结构的通过剥离分离的方法；

-图2示意性地示出了在复合结构的支承结构中产生光干涉的机构；以及

-图3A和3B示意性地表示根据本发明的特定实施方案的应用至复合结构的通过剥离分离的方法。

具体实施方式

本发明涉及一种可以通过剥离使将被分离的层从传统或非传统组分的复合结构脱离或弱化的分离方法。

申请人已实施可以说明导致用于实施通过剥离分离的方法遇到的困难的物理机构的研究。该研究具体说明在照射复合结构期间支承衬底中发生的光干涉的作用。

现将参照图2描述该机构。该图表示以上参照图1所描述的复合结构25。

图2具体表示在照射步骤S3期间到达支承衬底5的暴露的表面5a的入射光线22a。对于遭遇半吸收介质的任何光线，光线22a的一部分（未示出）在衬底5的上表面5a处反射，而光线的一部分22b被传输到支承衬底5中。在部分22b通过支承衬底5的厚度的过程中，经传输的光线22b的一部分被吸收，以及其余部分到达支承衬底5和分离层10之间的界面8。界面8又起光屈光度的作用，使得光线22b被部分反射（经反射的光线22d），以及其余部分22c被传输到分离层10中。经反射的光线22d又遇到上表面5a并引起支承衬底5内的内部反射的新过程。

然而，通过支承衬底5的厚度的多个光线（22b、22d、22e…）彼此作用，以根据它们的相移产生具有更高强度的波（这被称为相长干涉）或具有更低强度的波（这被称为相消干涉）。这些干涉现象产生被申请人观察到的与通过支承衬底传输到分离层的辐射能量相关的强烈变化和显著减少。

更具体地，研究已显示干涉的水平强烈依赖于在暴露的表面5a处和界面8处受到辐射的光学指数（或折射率）中的跳动。理想地，应当最小化所包括的多种材料之间的光学指数差异。对于传统复合结构的组分（即，GaN/Al₂O₃或Si₃N₄/Al₂O₃），由于对于具有150nm和300nm之间的波长的辐射，指数跳动为至多0.87（蓝宝石和Si₃N₄的光学指数分别为1.87和2.27），因此情况尤其有利。

另一方面，对于具有大于1.5μm的波长的辐射其中的二氧化硅和硅的光学指数分别上升到1.992和3.42的SiO₂/Si组分，情况是非常不利的。如果暴露的表面5a与空气接触（具有等于1的指数），则例如对于具有9.3μm波长的辐射获得光学指数（每层之间大约2.4或1.4）中的非常大的跳动。光学指数中的这些大跳动有助于产生在步骤S3期间传输至分离层10的光强度的非常强烈的变化。

此外，在上述由二氧化硅组成的分离层和由硅组成的支承衬底的情况下，对与支承衬底的厚度相关的干涉的敏感度的水平是极端的。具体而言，采用1.35μm的硅片厚度期间观察到经传输的最大强度。换句话说，当考虑由硅组成的达到最大传输的支承衬底的厚度L时，对于厚度L+1.35/2μm原则上将获得最小传输并且对于厚度L+1.35μm将达到新的最大传输。这意味着将有必要控制由硅组成的具有比0.675μm更好的精度水平的支承衬底的厚度，以避免辐射到分离层中的传输的显著变化。对于由硅组成的支承衬底，这种控制水平目前是不能设想的，支承衬底的厚度对于200mm和300mm的晶圆直径通常分别以大约5μm和1.5μm的振幅变化（总厚度变化或“TTV”）。

因此，对诸如那些由硅组成的衬底的厚度的控制水平是不足够的，从而造成以上所述的经传输的能量的变化的问题。

传输和光干涉的问题至今没有有效处理，尤其是因为它们对传统组分的复合结构影响有限。因此，申请人开发了一种新的分离方法，其可以克服上述缺点，并且这样做不考虑所讨论的复合结构的组分。

现将参照图3A和3B描述根据本发明的一个实施方案的分离方法。

更精确地，图3A和3B表示包括以下复合堆叠的复合结构125：

-支承衬底105，支承衬底105由在表示为λ的确定波长下至少部分透明的材料形成；

-将被分离的层115；以及

-分离层110，分离层110置于支承衬底105和将被分离的层115之间。

可由任何合适的沉积技术（例如，通过PECVD或LPCVD沉积）或任何其他合适的层形成技术产生分离层110和将被分离的层115。还可能通过键合来组装这些层中的至少一个。

可以通过剥离来分离分离层110使层115从支承衬底105脱离。将注意，在实施通过剥离分离的方法之前，复合结构125可经受补充技术步骤。可任选地在已在层115的背面上实施技术步骤（形成部件等）之后，可具体在层115（例如，最终衬底）的暴露的表面上形成或组装一个或多个层。

此外，在本文所描述的示例中，在将被分离的层115的暴露的表面上（即，在与分离层110接触的一侧相反的侧上的面上）（例如，通过键合或沉积）形成最终衬底120。

根据本发明的分离方法，电磁辐射以光束的形式应用至复合结构125的支承衬底105上。申请人意外地观察到，能够通过影响投射到支承衬底105上的光束的倾斜显著地提高应用至复合结构125的通过剥离分离的方法的效果。

在照射步骤期间，入射光束122a和124a以分别表示为θ1和θ2的相对于表面104的法线限定的入射角照射支承衬底105的表面104（分别如图3A和3B所示）。

入射光束122a和124a具有波长λ，在波长λ下支承衬底105至少部分透明。在该波长下，衬底105具有至少10%的透射率，并且优选地大于或等于50％。然而，能够通过增加在照射步骤期间施加的光束的能量的量（例如，通过聚焦光束）来补偿低透射率。

将注意，支承衬底和形成复合结构125的层的每一个可由两个或多个子层组成。具体而言，分离层110可包括所谓的第一加热子层（例如，由二氧化硅组成）和所谓的第二剥离子层（例如，由Si₃N₄组成）。加热子层的功能为在照射的作用下诱发加热。剥离子层的功能为在从加热子层传输的热量（通过热传导）的作用下通过剥离引起分离层110的分离。剥离子层适合于在照射期间通过加热子层诱发的加热的作用下分解或弱化。

在变型中，分离层110包括至少一个子层，该至少一个子层同时满足加热和剥离的功能。

对于遭受半吸收介质的任何光线，光束122a（和124a，分别）的一部分（未示出）通过支承衬底105的暴露的表面104反射，而光束的一部分122b（和124b，分别）被传输到支承衬底105中。在其通过支承衬底105的厚度的过程中，经传输的光线122b（和124b，分别）的一部分被吸收，以及其余部分到达支承衬底105和分离层110之间的界面106。界面8又起光屈光度的作用，使得光束122b（和124b，分别）以经反射的光束122c（和124c，分别）的形式部分地反射。经反射的光束122c（和124c，分别）又遇到上表面104并引起支承衬底105内的内部反射的新过程。

通常，当通过剥离分离的方法被实施时，入射光束通过相对于表面的法线的非常小的入射角θ被施加到复合结构的表面上。作为一般规则，光束被垂直地投射到支承衬底的表面上。然而，为了在支承衬底105的厚度中存在光干涉，通过界面106反射的光束有必要能够与传输到衬底105中的入射光束相互作用。申请人已观察到，通过相对于支承衬底105的表面104充分倾斜入射光束，能够降低或完全消除由在照射步骤中实际传输到分离层的能量的变化和/或限制的问题引起的光干涉。

根据本发明，入射光束施加于支承衬底的入射角θ应当使得：

θ≥θ_mtn，

阈值θ_min以以下方式定义：

θ_mtn＝sin^-1((n₁/n₀)sin(tan^-1(S/2h)))，

其中，n1和n0分别为支承衬底105的折射率和与所述光线（或光束）所来自的支承衬底接触的外部介质130的折射率，S为光线的宽度（或“光斑”的大小）并且h为支承衬底的厚度。

在图3A所表示的第一示例中，入射光束122a被施加的入射角θ1为θ1<θmin。在该示例中，经传输的光束122b和经反射的光束122c几乎完全重叠，使得它们可以在支承衬底105的整个厚度中相互作用。因此，在分离方法的照射步骤期间，易于发生显著的光干涉。

相反，在图3B的情况下，入射光束124a倾斜成使得入射角θ2满足条件θ2≥θmin。在这种情况下，分别通过暴露的表面104上的光束124a和124c形成的入射表面144a和144c不重叠。同样，通过界面106上的光束124b和124d形成的入射表面144b和144d不重叠。

根据本发明的光线的倾斜可以有利地在通过剥离分离的方法中限制或避免所涉及的多个光束（即，光束124b、124c和124d以及所有后续内部反射）之间的支承衬底的厚度中的光交互作用。

因此，本发明的方法可以减少、或甚至防止支承衬底中的入射光线和经反射的光线之间的任何光干涉。该光干涉的减少或消除可以有利地减少在通过剥离分离的方法中根据支承衬底105的厚度的实际被传输至分离层110的能量的变化。此外，本发明可以最大化实际传输到分离层110中的能量的量。

因此，大大提高了通过支承衬底105和将被分离的层115之间的通过剥离分离的质量和再现性。本发明尤其可以在具有与通常所使用的复合结构不同的组分并且对光干涉特别敏感的复合结构上执行通过剥离的分离。

如参照复合结构25所述的，通过光束124a诱发的分离不一定会引起分离层110的脱离或实际分离，但是可简单地引起分离层110的材料的弱化，从而需要后续应用附加的能量（例如，以机械力形式）以获得支承衬底105和层115之间的实际脱离。

一旦衬底105和层115已经完全分离，为了形成新的复合结构，支承衬底105可被重复利用。

在第一示例中，假定：

-支承衬底105由具有光学指数n1=3.42和厚度h=775μm的硅组成，

-分离层110由二氧化硅组成，

-入射光束的波长λ为9.3μm，

-其中放置有复合结构125的外部介质130为空气，其折射率n0为n0=1，以及

-光束的宽度S为S=120μm。

然后，获得阈值θmin=17.9177°，即，大约18°。

在这种情况下，例如分离方法可配置成θ2=18°、19°或20°。

在第二示例中，假定：

-支承衬底105由具有光学指数n1=1.87和厚度h=430μm的蓝宝石组成，

-分离层110包括由二氧化硅组成的加热子层和由Si₃N₄组成的剥离子层，

-入射光束的波长λ为9.3μm，

-其中放置有复合结构125的外部介质130为空气，其折射率n0为n0=1，以及

-入射光束的宽度S为S=120μm。

然后，获得阈值θmin=83°。然而，如果入射光束124a的入射角θ2满足条件θ2≥θmin，则角θ2超过被称为布鲁斯特角的角限制，即，入射光束124a的所有光强度被支承衬底105的表面104反射的最大角限制。布鲁斯特角按照以下方式定义：

θ_B＝tan^-1(n₁/n₀)。

在以上第二示例（由蓝宝石组成的支承衬底）中，布鲁斯特角θ_B为62°。因此，遇到以下情况：

θmin>θ_B。

因此，在该特定情况下，不能够设置入射角θ使得θ≥θ_min且θ<θ_B。换句话说，在该示例中，不能够通过影响光束的入射角来克服光干涉。然而，可以将入射角设置成稍小于θ_B（例如，大约60°），以尽可能降低支承衬底中光干涉的水平。

在本发明的特定实施方案中，光束的入射角θ因此满足以下条件：θ<θ_B。该实施方案可以最大化照射步骤期间实际传输至分离层的光能量的量。然而，如上所述，只有θmin<θ_B，该实施方案才是可行的。

Claims (3)

1.一种用于使层从复合结构（125）分离的方法，所述复合结构包括至少由以下形成的复合堆叠：

-支承衬底（105），所述支承衬底（105）由在确定波长下至少部分透明的材料形成；

-将被分离的层（115）；以及

-分离层（110），所述分离层（110）置于所述支承衬底和所述将被分离的层之间，所述方法包括通过在所述确定波长下的至少一个入射光线（122a、124a）穿过所述支承衬底照射所述分离层，以通过剥离分离层诱发弱化或分离，

所述方法的特征在于，所述入射光线倾斜以形成入射角θ，使得θ≥θ_min，其中θ_min＝sin^-1((n₁/n₀)sin(tan^-1(S/2h)))，其中n1和n0分别为所述支承衬底（105）的折射率和与光线来自其中的所述支承衬底接触的外部介质（130）的折射率，S为所述光线的宽度以及h为所述支承衬底的厚度。

2.根据权利要求1所述的分离方法，其中θ≤θ_max，θ_max为：θ_max＝tan^-1(n₁/n₀)。

3.根据权利要求1至2所述的分离方法，其中所述支承衬底由硅组成以及所述分离层由二氧化硅组成。

Images