(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽電池用の厚膜の低い注入または注入なしのレイヤトランスファについての方法および装置を提供する。【解決手段】材料膜は、表面領域と表面領域の下の所定の深さに配置される劈開領域とを有する半導体基板を用意することにより形成されうる。基板から膜を劈開するプロセス中に、劈開領域のせん断は、ＫIIまたはエネルギーの伝搬制御のいずれかにより制御伝搬を実現するために慎重に制御される。特定の実施形態では、面内せん断（ＫII）構成は、電子ビーム照射への露出を通じたシリコンの断熱加熱によりほとんど０に維持される。別の実施形態において、注入されたレイヤと組み合わされる表面加熱源は、劈開進行を通して破断伝搬を導くようにはたらく。【選択図】図２
2010103488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面と前記面の下方の深さに位置する応力レイヤとを有する基板を用意する工程と、
前記応力レイヤの近傍内に劈開を開始する工程と、
前記応力レイヤを使用して前記劈開を伝搬するために、前記応力レイヤ上方の伝搬がＫII係数によって促進されるがエネルギー的には支持されえず、前記深さの下方への伝搬に対して前記応力レイヤが障壁としてはたらくように制御される方法で、外部エネルギーを加える工程と、
を備える、基板から材料膜を劈開するための方法。
【請求項２】
劈開は前記深さの約５％以内の位置で開始される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
劈開は前記深さの約１０％以内の位置で開始される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
さらに注入粒子により前記応力レイヤを形成する工程を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子は水素またはヘリウムを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
さらに堆積により前記応力レイヤを形成する工程を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記外部エネルギーは２段階で加えられる熱エネルギーである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１段階は、前記応力レイヤ内の絶対温度を上げるための熱浸漬を備え、第２段階は、前記応力レイヤ上方の材料と前記基板との間の温度差を大きくするための熱パルスを備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記熱浸漬および熱パルスの段階の適用のタイミングは前記膜の熱時定数に基づいて決定される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記外部エネルギーは１回の操作で加えられる熱エネルギーである、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記外部熱エネルギーを加えるタイミングは前記膜の音響時定数に基づいて決定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板から前記膜の剥離を生じさせる負の力Ｐと正のモーメントＭとを生成するために、前記外部エネルギーは、前記基板の半分の厚さよりも深い位置で加えられる熱エネルギーである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記外部エネルギーは、電子、光子または電磁エネルギーのビームとして加えられる熱エネルギーである、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記外部エネルギーは、前記膜上に伝えられるモーメントＭおよび力Ｐとして加えられる機械的エネルギーである、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記機械的エネルギーは、前記膜の超音波励起を利用して加えられる印加エネルギーである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記機械的エネルギーは、前記膜と前記基板との間に装入されるくさびまたはワイヤを使用して押し込むことにより加えられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記機械的エネルギーは、上方からの前記面上の真空吸引または静電引力を使用して引き込むことにより加えられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記外部エネルギーは、前記膜およびき裂先端に近い基板領域に伝えられる熱と機械的エネルギーの組合せである、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
面を有する基板を用意する工程と、
重なっている膜を解放するために前記基板内のある深さで劈開を開始する工程と、
ＫII係数が前記深さに沿って０または約０に維持されるように、制御された方法で前記劈開を伝搬するため外部熱エネルギーを加える工程と、
を備える、基板から材料膜を劈開するための方法。
【請求項２０】
断熱的に前記膜を加熱しかつ前記膜の剥離を生ずる正の力（Ｐ）および正のモーメント（Ｍ）を生成するために、前記熱エネルギーは前記面に加えられる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱エネルギーは電子、光子または電磁エネルギーのビームとして加えられる請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記膜の剥離を生ずる正の力（Ｐ）および正のモーメント（Ｍ）を生成するために、前記熱エネルギーは、熱吸収として前記膜以外の前記基板の一部に加えられる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、前記面内の粒子を注入することにより前記深さに応力レイヤを形成する工程を備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記粒子は水素またはヘリウムを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
追加の外部エネルギーは、前記膜上に伝えられるモーメントＭおよび力Ｐである機械的エネルギーとして加えられる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
加えられた前記機械的エネルギーは前記膜の超音波励起を利用して加えられる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記機械的エネルギーは、前記膜と前記基板との間にくさびまたはワイヤを挿入することにより加えられる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記機械的エネルギーは、真空吸引または静電引力を利用して上方から前記膜を引っ張ることにより加えられる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
面と前記面より下方の深さに配置される応力レイヤとを有する基板を用意する工程と、
前記応力レイヤの近傍内で劈開を開始する工程と、
前記応力レイヤを使用して前記劈開を伝搬するために、
第１段階は前記応力レイヤ内で絶対温度を上げるための熱浸漬を備え、第２段階は前記応力レイヤ上方の材料と前記基板との間の温度差を大きくするための熱パルスを備え、
かつ、前記応力レイヤ上方の伝搬がＫII係数によって促進されるがエネルギー的には支持されえず、前記応力レイヤが前記深さの下方の伝搬に対する障壁としてはたらくように、
制御される方法で外部熱エネルギーを２段階で加える工程と、
を備える、基板から材料膜を劈開するための方法。
【請求項３０】
劈開は前記深さの約５％以内の位置で開始される請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
劈開は前記深さの約１０％以内の位置で開始される請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
さらに、粒子を注入することにより前記応力レイヤを形成する工程を備える請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記粒子は水素またはヘリウムを含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記熱浸漬および熱パルスの段階の適用のタイミングは前記膜の熱時定数に基づいて決定される、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
元来、人間はほとんどすべての有益なエネルギーを得ることを“太陽”に頼っている。このようなエネルギーは、石油、光、木材およびさまざまな形態の熱エネルギーによってもたらされる。ほんの一例として、人間は需要の大半を石炭やガスなどを含む石油資源に大幅に頼っている。不幸にも、このような石油資源は激減しており、他の問題を引き起こしている。代替として、部分的に、太陽エネルギーが石油資源への依存を減らすために提案されている。ほんの一例として、太陽エネルギーは一般にシリコンから作られる“太陽電池”によって得ることができる。
【０００２】
シリコン太陽電池は、太陽光にさらされると電力を発生する。日射はシリコンの原子と相互作用し、シリコンのｐとｎにドーピングされた領域に移動してドーピングされた領域間に電位差および電流を発生させる電子と正孔を形成する。太陽電池には効率を向上させるために集光要素が結合される。一例として、日射を活性光起電材料の１つまたは複数の部分に導く集光要素を用いて太陽光が集められ焦点が合わせられる。効率的であるが、それらの太陽電池には未だに多くの限界がある。
【０００３】
ほんの一例として、太陽電池はシリコンなどの出発物質に依存する。そのようなシリコンはたいていポリシリコンおよび／または単結晶シリコン材料を用いて作られる。ポリシリコンはさらに、一つの結晶粒子の大きさと結晶度に応じて、多結晶性、微結晶性またはナノ結晶性と呼ばれる。多くの不規則な結晶方位や多くの粒界を有さない単結晶（単結晶性）材料に対して、以下、それらの材料は“ポリシリコン”と呼ばれる。数ミクロンよりも薄い厚さで担体としての寿命が短いために、アモルファスシリコンはウェーハ状の太陽電池に通常使用されるシリコンの形状ではない。
【０００４】
太陽電池用の材料はたいてい製造することが困難である。ポリシリコン電池は、たいていポリシリコンプレートを製造することによって形成される。それらのプレートは結晶炉を用いて費用効率良く形成されるかもしれないが、それらは高品位の太陽電池に適した最適な特性を有さない。特に、ポリシリコンプレートは、太陽エネルギーを捕捉しかつ捕捉された太陽エネルギーを有用な電力に変換するための最高レベルの可能効率を発揮しない。
【０００５】
対照的に、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）は高品位の太陽電池に適した性質を有する。しかしながら、そのような単結晶シリコンは製造するには高価で、また能率的かつコスト効率の良い方法で太陽光を利用する用途に使用するのは困難である。
【０００６】
さらに、ポリシリコンおよび単結晶シリコンの材料は、単結晶シリコン基板の従来の製造中に材料損失をこうむる。スライシングプロセスを用いて、当初成長した単結晶シリコンインゴットから薄い単結晶シリコンレイヤを物理的に脱離するのが通常である。例えば、内周刃（ＩＤ）スライシングプロセスまたはワイヤスライシングプロセスは、鋳造または成長ブールから出発材料の４０％ほどさらには６０％まで除去し、材料をウェーハ形状要素にスライスする。これは、太陽電池の使用に対し、薄いポリシリコンまたは単結晶シリコンのプレートを加工するには大いに非効率な方法である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シリコン材料を使用する欠点を克服するため、薄膜太陽電池が提案されている。薄膜太陽電池はより少ないシリコン材料または代替材料の使用により多くの場合低コストではあるが、それらのアモルファスまたは多結晶構造は、単結晶シリコン基板から作られるより高価なバルクシリコン電池よりも効率が低い。
【０００８】
上述から、低コストでかつ高い生産性の好適な高品質の単結晶シリコン薄板が製造される技術が強く望まれていることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
材料膜は、表面領域と、表面領域の下側の所定の深さに配置される劈開領域とを有する半導体基板を提供することにより形成され得る。基板から膜を劈開するプロセスのあいだに、劈開領域のせん断は慎重に制御される。ある実施形態によると、面内せん断（ＫII）構成は所望の深さ内で伝搬劈開面を維持するために所定の膜厚でほぼ０に維持される。一実施形態において、ほぼ０のＫII構成は、所望のＫII条件を実現するために熱起電力およびモーメントを伝えることができる電子ビーム照射への露光を通してシリコンの断熱加熱によって実現される。別の実施形態において、ＫII構成は、エネルギー制御方法を使用する破断伝搬を導くために注入した任意の外部エネルギーにより、高い水準で意図的に維持される。そのような実施形態において、深さに依存する劈開エネルギー制御によりシリコン内の正確に設定された深さで制御伝搬を実現するために、温度勾配を与えるレーザまたは電子ビームのような照射への露光を通じてシリコンを加熱することによって、高いＫII構成は実現される。
【００１０】
本発明の実施形態は、全般的に、厚膜を形成するためのレイヤトランスファ技法に関する。より詳細には、本発明は、太陽電池用の厚膜の低い注入または注入なしのレイヤトランスファについての方法および装置を提供する。ほんの一例として、単結晶シリコン基板の結晶方位面に沿って厚膜を劈開するのに適用される。しかし、本発明がより広い範囲の適用可能性を有することは認識されるであろう。
【００１１】
本発明を実施することによって、多くの利点を得ることができる。好適な実施形態において、｛１１１｝または｛１１０｝の結晶方位における表面を有する単結晶シリコンインゴット基板が選択できる。したがって、劈開領域を形成するためのイオン注入プロセスは省かれるか、または外周領域の一部に劈開開始領域を形成することに制限できる。これは実質的にレイヤトランスファプロセスを単純化し、システムエネルギーコストを低減しかつ生産性を向上する。
【００１２】
ある実施形態において、プロセスは、(i)シリコンインゴット基板の比較的小さな領域（開始領域）において破断を開始するために高めの注入供与量（開始供与量）を使用する開始プロセスと、(ii)厚膜（伝搬領域）を解放するためにシリコンインゴット基板の残余部分に生じたき裂の先端を拡張する伝搬プロセスとに分割される。伝搬プロセスは、開始領域を解放されるべき厚膜の表面領域の大半に拡張しなければならないので、このプロセスは少しの注入供与量、あるいは供与量なしに確実に処理すべきである。これは伝搬供与量と呼ばれ、それゆえプロセスに必要な総供与量は、開始供与量と伝搬供与量との加重エリア平均となろう。例えば、開始領域が全領域の１％であって６×１０１６ｃｍ−２の水素を使用し、他方伝搬領域が１×１０１６ｃｍ−２の水素を使用するならば、総有効量は、０．０１＊６×１０１６ｃｍ−２＋０．９９＊１×１０１６ｃｍ−２すなわち１．０５×１０１６ｃｍ−２である。伝搬供与量を低減または省略することは、この劈開プロセスのための総供与量要求において一次効果を有するであろう。
【００１３】
供与量の低減は、同様に、(i)その劈開導入動作を最大化するために注入された水素の効果を最適化すること、および(ii)膜を折ったりまたは割ったりすることなく所望の深さ内に劈開前面を保持するためき裂の先端で適切な応力強さ条件を生成することによって劈開プロセスを最適化すること、に依存する。本発明に係る実施形態は、劈開伝搬プロセス中に機械的な構成を最適化することに照準を合わせている。
【００１４】
ある実施形態において、劈開開始領域は、線形加速器を使用して生成される制御された投与量で高エネルギーイオン粒子を照射することによりパターン化した注入で形成されうる。ある実施形態において、混合モード負荷を生成する機械的構成の自然傾向にもかかわらず、実質的に０のせん断領域が形成されうるように、本発明は、応力こう配を生成するために（適切な熱処理プロセスおよび／または機械的力を介して生成される）力の負荷を有する機械的なモーメント負荷を提供する。
【００１５】
伝搬を制御する所望の条件を生成するため、別の実施形態は純粋に熱負荷（加熱のみあるいは差動冷却との組合せでもよい）を用いる。
【００１６】
本発明の実施形態を使用して、数１０ミクロンから数１００ミクロンの厚さ範囲を有する高品質の厚膜結晶性材料は、使用可能な従来技術よりも実質的に低い切り溝損失により生成されうる。生じた単結晶シリコン厚膜は高効率（２０％またはそれよりも高い）光起電力電池用に特に適している。いくつかの実施形態は、既存の製造処理システムや技法を使用することができるし、種々の半導体装置用途のための薄いウェーハ／基板を製造するための新たな改良技法の利点を享受する。本発明の種々の実施形態に関するさらなる詳細は、下記の詳細な説明に見出せる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る、高エネルギー粒子をパターン化注入することによる劈開開始領域の形成を示す概略図である。
【図２】伝搬の一般的な場合の概略図である。
【図３】水素レイヤ応力分布モデルを示す図である。
【図３Ａ】
【図４】有効な熱負荷構成の簡略化した縦横配列を示す図である。
【図５】熱負荷適用の時間係数に応じて得られる劈開の型を示すグラフである。
【図６Ａ】劈開面領域内の絶対温度を上昇させるための熱浸漬の概念を示す図である。
【図６Ｂ】膜基板温度差分を生成するための熱パルスの概念を示す図である。
【図７】対エネルギー最大電子深度のプロット（ＣＳＤＡ範囲）を示す図である。
【図８】シリコンにおける電子ビームの容積エネルギー堆積分布のモンテカルロシミュレーションを示す図である。
【図９】ＫII制御伝搬劈開を実現するためのシミュレーションされた電子ビーム分布図である。
【図１０】断熱電子ビームＫII制御伝搬を利用する応力強さおよびエネルギー結果を示す図である。
【図１１】
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の個々の実施形態は、太陽電池用の厚膜のレイヤトランスファのための方法および装置を提供する。ほんの一例として、単結晶シリコン基板の結晶方位面に沿って厚膜を劈開することに適用される。しかし、本発明はより広い適用範囲を有することが認識されるであろう。例えば、ゲルマニウム、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの他の材料が、太陽エネルギー、光電子または半導体の用途用の材料膜を解放するための劈開プロセスに供されうる。
【００１９】
背景技術に記載されたとおり、シリコンベースの太陽電池の発展は、ウェーハにする切溝損失コストに対するボトルネック低減に依存する。太陽電池に適する厚膜にする伝統的なスライシング、または近年報告されるウェーハ技法（たとえば、マルチワイヤスライシング、スパーク切削、レーザー切削またはプラズマ切削）の採用は、１つまたは複数の課題、すなわち高い切溝損失、遅い切削速度および生産性の欠如のせいで、限定的な有用性を呈するかもしれない。
【００２０】
解決策は、基板面の下の所望の厚さのところに劈開領域を形成するために高エネルギーイオンビームを使用し、次に残余基板から厚膜を解放するためにレイヤトランスファプロセスを実施することである。しかしながら、劈開しやすい劈開領域を形成するための注入イオンのみの使用は、高いイオン供与量および広範囲にわたる注入領域を必要とするかもしれない。さらに、注入イオンへのそのような依存は、より高い表面粗さ、高いイオン供与量および非生産性による追加コスト、および潜在的により低い歩留まりと膜質を生じうる。実施形態にもよるが、それらおよび他の制約は本発明に係る方法および構造を用いて克服される。
【００２１】
本発明の個々の実施形態によると、材料膜の劈開は、劈開中のせん断条件を慎重に制御する劈開プロセスを使用して、イオンの注入を実質的に減じてあるいは全く注入せずに実現される。ある実施形態において、材料膜は、表面領域、外周領域および表面領域下方の所定の深さにある劈開領域を有する半導体基板を提供することにより形成される。本特許出願のために、“劈開領域”の術語は、放射エネルギーまたは注入されたイオンを受けた領域を必ずしも意味しないが、むしろ放射エネルギーおよび／または注入されたイオンの使用に続いて基板から分離されるであろう領域を意味する。
【００２２】
劈開開始領域が、外周領域部および劈開領域近傍内に定められてもよい。劈開開始領域は、開始領域内に膜の断面を砕くかまたは解放するための熱、化学、電気および／または機械的なプロセスに該領域をさらすことにより形成されてもよい。
【００２３】
ある実施形態において、劈開前面がこの領域内で開始され、供与量が低い開始領域の外周に伝搬し、さらなる伝搬を促進しないように、劈開の開始は、劈開開始領域を局部的熱処理にさらすことにより実現される。一方、伝搬領域は、局部的なエネルギーそれ自身によって制御される。次に、全般的な膜解放プロセスは、現存する劈開前面から基板の残余部分を貫いて、開始された膜を伝搬し続けることができる。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る、表面領域の下の所定の深さのところに劈開領域を有する半導体基板の側面を示す概略図である。本図は単なる一例であり、本請求項の範囲を不当に制限してはならない。当業者は、多くの変形形態、修正形態、代替形態を理解するであろう。
【００２５】
図１に示されるとおり、半導体基板１７００は、表面領域１７０２と外周領域１７０４を有して用意される。また、劈開領域１７０６が設けられている。この劈開領域は、基本的に表面領域１７０２の下方の所定の深さｄに位置する仮想の面または層であり、半導体基板１７００から切り離される厚膜１７２０の厚さを定めるように使用される。ある実施形態において、半導体基板は深さｈよりもおおよそ大きな厚さを有する。ある特定の実施形態において、半導体基板は光起電力太陽電池に使用するための単結晶シリコン材料である。ある特定の実施形態において、シリコン基板は、｛１１１｝または｛１１０｝の（１度未満の任意の小さなミスカット角度が存在するかもしれない）結晶方位面に近似するように全般的に選択される表面を有する。ある特定の実施形態において、定められる劈開領域は、表面領域にほぼ平行である。劈開作用は、従来の｛１００｝面よりも、｛１１１｝面に次いで｛１１０｝面に沿う方がエネルギー的にはより容易であるので、より低い表面エネルギー結晶方位劈開面によって劈開される表面に一致して劈開されるように、材料の向きを合わせることが望ましいであろう。スライシングまたは劈開のためのシリコンブールの任意の方向を選択するための技法のより詳細な記載は、全体を参照としてここに援用する、Francois J. Henleyによる２００８年５月７日に出願された米国仮出願第６１／０５１，３４４号の“METHOD AND DEVICE FOR SLICING A SHAPED SILICON INGOT USING LAYER TRANSFER”（代理人事件番号：０１８４１９−０２５６００ＵＳ）に見いだすことができる。
【００２６】
また、図１は、本発明の実施形態に係る、高エネルギー粒子をパターン注入することによる劈開開始領域の形成を示している。本図は単なる一例であり、本請求項の範囲を不当に制限してはならない。当業者は、多くの変形形態、修正形態、代替形態を理解するであろう。
【００２７】
図１に示されるとおり、外周領域１７０４の一部は、表面領域１７０２内の（図１の断面図に直接的には示されない）所定のパターン領域に付随しうる。ある実施形態において、外周領域の選択された部分は、劈開領域１７０６の縁近傍内にある。
【００２８】
次に表面領域１７０２のパターン領域は、高エネルギーイオンビーム１７４０に、例えば高エネルギー粒子加速器を使用して１ＭｅＶ以上のエネルギーレベルを有するＨ＋イオンにさらされる。加速器の選択は、線形加速器（静電またはＲＦ駆動型）またはサイクロトロン加速器のような非線形加速器型まで範囲とすることができる。パターン注入が望ましいので、限定されたビームの大きさの粒子ビームの走査が好適である。走査は、熱的、機械的、コストおよびその他の考慮要素に応じて、電磁的、静電的、または機械的であってよい。ある実施形態において、パターン開始領域の面積は全基板表面面積の１〜３％（例えば、１２５ｍｍ×１２５ｍｍの大きさの基板に対し２〜５ｃｍ２以下）に制限されるので、イオン粒子供与量はシステムの最小エネルギーコストをうまく制御し、厚膜劈開プロセスの生産性を高める。
【００２９】
高エネルギーイオンは、劈開領域１７０６の近傍内の領域に到達するように、表面領域の下方に注入される。イオンの侵入深さはエネルギーレベルに依存し、劈開領域の深さｈを決定する所望値まで制御されうる。注入されたイオンは、イオン化（電子制動）、および原子を移動させることによる少量の原子損傷（核停止）の形態で、格子に運動エネルギーを伝達することにより結晶格子内において速度を下げる。
【００３０】
最終局面（全範囲の約２〜５％以内）のあいだに、イオンは、核停止状態で結晶格子とさらに充分に相互作用し、比較的高応力でかつ損傷した格子結合の薄い領域が形成されて、劈開開始領域１７０８を定める。図示されるとおり、形成された劈開開始領域１７０８は、劈開領域１７０６内部方向に外周領域１７０４の一部から延びる小さな平面領域である。パターン注入は、表面領域の全面積の１〜３％未満の面積以内にイオン粒子を照射することにより実施されるので、この開始供与量は、伝搬供与量よりも高くなりうる。これは、平均した面積供与量が高生産性のために低く維持されることを可能にする。もちろん、多くの変形形態、修正形態、代替形態がありうる。
【００３１】
制御伝搬方法
【００３２】
本発明のある実施形態は、伝搬劈開き裂の先端でせん断モードII応力強さ係数（ＫII）を減じ、消去しまたは制御するために、劈開構造の修正を試みる。劈開作用が表面１７０２の下側の所望の深さに沿って確実に進むとき、プロセスは制御伝搬と全般的に呼ばれる。
【００３３】
制御伝搬の２つの形態は、基板から厚さｈの膜を解放しかつ劈開の失敗を回避するために、材料１７００内の劈開を確実に伝搬するように利用されうる。制御伝搬の第１の形態は、“ＫII制御伝搬”と呼ばれ、他方、制御伝搬の第２の形態は、“エネルギー制御伝搬”と呼ばれる。両方の形態は、厚さｈの膜を解放するために所望の深さで伝搬している劈開面を制御しうる。しかしながら、制御伝搬のそれらの形態は、異なる方法や手法を用いて本目的を実現する。
【００３４】
劈開手法を設計するにあたりキーとなる考慮要素は、膜がひび割れたりまたは壊れたりするような好ましくない劈開失敗の回避である。劈開失敗は、通常ひび割れ膜が生じる、劈開面の好ましくない分岐として基本的に定義づけられる。このように、劈開面の好ましくない分岐の回避は、劈開技法において考慮要素である。好ましくない分岐に影響するものとして判明している他の要因は、例えば、結晶方位、注入供与量、深さおよび温度分布を含む。
【００３５】
他の効果が重要であると判明している。例えば、単結晶シリコンについて、劈開面の近傍内に注入されかつ劈開応力を生じるように使用される熱エネルギーは、注入された劈開面が未注入の単結晶シリコンにわたりかなり低い熱伝導性を有する事実によって影響を受けるであろう。この低い熱伝導性は、水素注入損傷の結果であり、温度分布を変更する傾向にあり、同様に劈開応力を変更するであろう。
【００３６】
ＫII制御伝搬
【００３７】
制御伝搬の第１の形態は、ＫII制御伝搬であり、同時に実現する０またはほとんど０のＫIIを有する閾値劈開伝搬エネルギーＧ’（下記に定義）として定義される。伝搬劈開前面がＫII＝０を実現し維持するように方向を変える線形弾性破壊力学（ＬＥＦＭ）の基本的な原理に基づいて、この条件は伝搬劈開面が所望の深さで留まることを可能にする。深さの細かな変更により、所望の深さの方向に劈開面を向けさせるようにＫIIせん断の水準および符号を復元生成する際に、安定的なＫII制御が生じる。
【００３８】
条件ＫII＝０が安定的な劈開伝搬を実現するための理想的な条件であると通常は考えられる一方、その範囲内で劈開は結晶学的な劈開面に従うようなＫIIの特定の範囲がある。したがって、条件が０前後の限定された範囲内でＫIIの維持を考慮する場合には、劈開作用は劈開面に従い続けることが好ましい。
【００３９】
エネルギー制御伝搬
【００４０】
制御伝搬の第２の形態はエネルギー制御伝搬であり、所望の深さよりも下方において、伝搬が高いＫII係数により促進されるがエネルギー的には支持されえないように、劈開面を伝搬するために必要な閾値エネルギーが変化する、深さ制御として特徴づけられる。注入された水素レイヤによる劈開は、エネルギー制御劈開の一例である。
【００４１】
水素劈開面による純粋な劈開の場合、表面方向への劈開面のずれは伝搬に有効なエネルギーを減ずるので、劈開が注入深さから離隔して進行するならば伝搬は停止する。結果として、表面方向に伝搬する強い傾向は、強いエネルギー−深さ依存性により打ち消される。
【００４２】
制御伝搬の方程式の導出
【００４３】
下記の考察は、本発明の実施形態に係る劈開を律する一般的な線形弾性破壊力学（ＬＥＦＭ）の方程式を取り扱っている。この解析は、膜がシリコンタイルの残部よりも薄い、大面積のタイルを想定している。
【００４４】
開始プロセスに従う機械的な構成は、図２に示される。特に、厚さｈの厚膜は厚さＨを有するシリコンインゴット基板の残部から部分的に解放される。劈開材料に関する基板のより大きな寸法により、ｈ≪Ｈでありかつタイルのモーメントおよび力Ｍ２、Ｐ２、Ｍ３、Ｐ３が非常に小さいことが理解される。このように、き裂の先端で見られる応力強さの供給源は、部分的に解放される厚膜に結合されるモーメントおよび力Ｍ１およびＰ１によって支配される。
【００４５】
本発明の実施形態の基本的な概念は、水素劈開面である。水素劈開面（Ｈ−面）は、応力およびレイヤ減衰効果により劈開作用に影響を及ぼす。特に、Ｈ−面は、より高い供与量においての開始レイヤとして、また供与量がより低い場合は誘導または伝搬レイヤの両方として使用されうる。Ｈ−レイヤの作用は、それら２つの供与量の形態の範囲内で異なる。
【００４６】
範囲の終了点（ＥＯＲ）の水素注入レイヤの劈開作用における１つの効果は、劈開面周囲の破壊強度の低減である。破壊強度のそのような低減は、結合損傷によりおよび水素それ自身の存在により誘起される応力により生じうる。それら両方の考慮要素は、劈開のあいだに新しい表面を形成するに必要なエネルギーを低減しうる。
【００４７】
劈開のあいだに新しい表面を形成するに必要なエネルギーは、以下、表面エネルギー（γ）と呼ばれる。シリコンにおける破壊靱性は時に４〜６Ｊ／ｍ２と報告されており、新しい表面を生成する効果的なエネルギーを与えるために格子トラップのような効果を包含するが、未注入の単結晶シリコンにおいて、表面エネルギーは｛１１１｝配向に対しておおよそ１．２Ｊ／ｍ２である。｛１１１｝配向におけるシリコンの以下に示す解析では、表面あたり１．２Ｊ／ｍ２の表面エネルギー（合計２．４Ｊ／ｍ２）が想定される。
【００４８】
対照的に、注入された劈開面に沿って修正された表面エネルギー（γ‘）の値は、おそらく５倍以上、実質的に低減されうる。有効劈開面の表面エネルギーの値γ‘は、下記の関係式に係る未注入の表面エネルギー（γ）に関する。
（１）  γ‘＝αＨ２＊γ  
ここで、αＨは、水素脆化による劈開エネルギーの減衰を定量化するために働く０と１の間の係数である。αＨの項は、すべての応力および結合損傷効果の正確な表現をもたらすに必要なすべての効果に値する。αＨは、劈開エネルギー、供与量、注入加熱条件および注入後の加熱条件の関数として実験的に算出される。
【００４９】
劈開エネルギーは線形弾性破壊力学において基本的なパラメータであるので、注入供与量とエネルギーの相関関係は、劈開作用の正確な予測とモデル化を可能にする。
【００５０】
劈開プロセス中に２つの表面が形成される。したがって、劈開エネルギー解放率（Ｇ’）は、下記のとおり表面エネルギーに関係する。
（２）  Ｇ’＝２＊γ’＝２＊αＨ２＊γ
【００５１】
脆化係数（αＨ）次第で、Ｇ’は劈開面内において約２．４Ｊ／ｍ２からかなり少なく変更することができる。例えば、５０μｍ厚の単結晶シリコン膜を伴う実験において、２〜８×１０１６ｃｍ−２のＨ注入供与量によって形成される劈開面のひび割れは、約４〜６×１０１６ｃｍ−２より多いＨ供与量に対し、二重カンチレバービーム機械的構成により測定される劈開エネルギーの測定可能な低減（αＨ２＜１）があることを示す。
【００５２】
（４×１０１６ｃｍ−２より少ない）低い水素供与量を有する劈開面に対して、αＨ２〜１が実験的に算出されている。このように、真性劈開エネルギー値を基本的に有する劈開エネルギーによって、より低い供与量を誘導する劈開は、エネルギー制御の原理により劈開前面の伝搬を劈開面に沿って保持させる、注入された水素圧縮応力分布に主として支配される。
【００５３】
一連の閉じた形の方程式は、劈開の挙動を研究することにより展開してきた。それらの方程式の展開は、基板の深さ（ｈ）に存在し、それによって劈開された膜の厚さを定める始動き裂が、劈開開始から生じることを想定している。多くの実施例ではｈ＝５０μｍであるが、任意の膜厚は方程式に許容される。モデルは、数ミリメートルから数センチメートルの分離した膜長さ（ｃまたは時にＬと呼ばれる）を想定している。形状は２次元であり、劈開がラインに沿って生じるように幅ｗは変化しないことを意味する。
【００５４】
き裂開離力モード（ＫI）および面内せん断力モード（ＫII）は、劈開プロセスをモデル化するための重要なパラメータである。その劈開構成に対して公知の破壊エネルギーが使用されるならば、き裂の拡張および伝搬を導く結果の条件がシリコンまたは他の材料に適合することが期待される。例えば、Ｇ’が２＊γ’、未注入レイヤに対しておよそ２．４Ｊ／ｍ２、を超える場合、破壊条件が単結晶シリコンに生じることが知られている。
【００５５】
破壊伝搬に対する閾値は下記のとおり定義される。
【数１】
2010103488.tif 000003
（３）
ここでＥ’はＥ’＝Ｅ／（１−ｖ２）として定義される平面ひずみの方程式であって、本明細書において、Ｇ＝Ｇ’でかつ一般に方程式（２）で劈開面に関係する。
（２）  Ｇ’＝２＊γ’＝２＊αＨ２＊γ
【００５６】
図２は、等方性で、均一で、かつ線形弾性材料を想定する、伝搬に係る問題点の一般的な例を示す。既存のき裂は、３つの端に沿って均等に、軸力およびモーメントを受ける。方程式（２）を使用し、応力強さ係数に対する一般解を解くことは、き裂先端のエネルギー解放率に対する下記の解をもたらす。
【数２】
2010103488.tif 000004
（４）
ここで、ＰｎおよびＭｎは、各項において作用するそれぞれの力およびモーメントである。
【００５７】
ＫIおよびＫIIの係数は次の式で表される。
【数３】
2010103488.tif 000005
（５、６）
ここで、パラメータは、Hutchinson and Suoによる、“Mixed Mode Cracking in Layered Materials”、Advances in Applied Mechanics、Vol.29（１９９２）に詳細が記載される力、モーメントおよび形状に由来し、すべての目的で全体を参照としてここに援用する。
【００５８】
もし残余基板の厚さ（Ｈ）が膜厚（ｈ）に比較して非常に厚いと想定されるならば、上述の方程式（５、６）は、下記により方程式（７、８）に単純化されかつまとめられる。
γ（角）＝０
Ｐ＝Ｐ１
Ｍ＝Ｍ１
Ｕ＝１
Ｖ＝１／１２
ω＝５２．０７度
η＝ｈ／Ｈ〜０
すべての定数Ｃは０であるとき、
【数４】
2010103488.tif 000006
（７、８）
である。
【００５９】
方程式（７、８）は劈開手法の種々の構成を導出するために使用される。構成に基づく方程式における唯一の変更は、個別の負荷条件に対するしかるべき力（Ｐ）およびモーメント（Ｍ）を含むことである。
【００６０】
水素劈開面モデル
【００６１】
水素劈開面は、深さｈを中心としてピーク応力σを有し、ｈ＋／−ｈｃで応力が直線的に０に減少する三角応力分布を用いることにより、合理的にうまくモデル化されることが理解されている。図３はｈ＝５０ｕｍかつｈｃ＝５ｕｍでの分布を示す。
ＭおよびＰの関数は、
Ｐ＝−σｈｃ／２
Ｍ＝＋σ（ｈｈｃ／４−ｈｃ２／６）
である。
ＫIおよびＫIIの関数は（小さい交差項を無視して）、
【数５】
2010103488.tif 000007
（９、１０）
である。
【００６２】
これらの方程式は、応力強さ混合モード比がおよそ−２．４５でありかつ表面方向に劈開面を伝搬する傾向にあることを示している。しかしながら、これが生じると、応力係数は、伝搬を支持するために要求される閾値エネルギーよりも下に急速に減少する。
【００６３】
“Hydrogen-Induced Silicon Wafer Splitting”、J.App.Phys.、Vol.９４、No.３、pp.１４５４（２００３）において、F.Yangは、水素は供与量と温度の累乗根に比例する圧力を生み出すという水素劈開面理論を展開した。この論文は、すべての目的で全体を参照としてここに援用する。
【００６４】
この理論によると、現象学的応力関数は、次の通り記述できる。
σ＝ｓｑｒｔ（ｋＴφ）＊αＨ＊Ｋ０  （１１）
ここで、
【数６】
2010103488.tif 000008
であり、
ｋＴ＝ボルツマン定数＊絶対劈開面温度、および
φ＝水素供与量
である。
【００６５】
比率ｈ／ｈｃが、対象となる劈開深さ、またはシリコンへの水素注入のための約２０〜１５０ｕｍにかけて不変であるものとして認められるとき、方程式８〜１１は、応力強さ係数の深さ非依存性を示す。
【００６６】
一般的な外部エネルギーモデル
【００６７】
ＬＥＦＭは、以下のＫIおよびＫII応力強さ関数を加えることにより、既存の水素劈開面に外部エネルギーを重ね合わせることを可能にする。
【数７】
2010103488.tif 000009
（１２、１３）
ここでは劈開面は、ピーク応力σおよび特性幅ｈｃの水素劈開面内に配置され、かつ力ＰおよびモーメントＭの形でシステムに加えられる外部エネルギーを有する。それらは、劈開エネルギーおよび応力強さを修正するようにはたらく。
【００６８】
エネルギーおよびＫII制御伝搬手法を用いる上述の一般的な劈開伝搬の方程式（１２、１３）についての解は、次節で導出される。すべての場合において、応力強さの方程式（１２、１３）は、エネルギーおよび劈開方向条件を算出するために、劈開エネルギー閾値の方程式（２、３）によって解かれる。
【００６９】
モデルに使用される座標系
【００７０】
種々の構成を定量化するために、座標系は、Ｘ方向（右方向に正のＸ）に沿った劈開面と、Ｙ方向（上方向に正）に沿った膜の厚さとによって定められ、Ｚ方向は紙面から手前に正である。この座標系は有限要素解析（ＦＥＡ）のコードに用いられる。ペンシルバニア州キャノンズバーグのアンシス社（ＡｎＳｙｓ、Ｉｎｃ．）から入手できるソフトウェア（以下、アンシスソフトウェア）は、き裂伝搬システムをモデル化するために使用され、界面の結合ゾーンモデル（ＣＺＭ）と相互作用する温度部品および機械部品を包含した。ＣＺＭコードは、加えられた応力およびモーメントがき裂を伝搬する条件の決定を可能にした。
【００７１】
切り離された開始膜が左側にある図２の構成が、アンシスソフトウェアに入力された。その結果は次節に要約され、異なる負荷（ＰおよびＭ）構成から結果として生じるＫIIの打ち消し作用を示す。
【００７２】
また、アンシスソフトウェアは、ここではそれぞれＤ１，Ｄ２で示されるモードI（き裂開口）およびモードII（面内せん断）の劈開エネルギーを抽出するために用いられた。特に、それらの劈開エネルギーは、ＣＺＭ脱離（劈開）の間について抽出される。この抽出されたデータは、エネルギーおよびＫII制御伝搬手法の有効性を示す。
【００７３】
アンシスソフトウェアをテストするために、変位およびせん断劈開負荷は、ＭのみおよびＰのみの劈開構成の閉じた形の解とよく比較された。すべてのモデルにおいて、劈開エネルギーは２．４Ｊ／ｍ２、ヤング率は１８７ＧＰａ、熱膨張係数（αＣＴＥ）は２．５ｐｐｍ、ポアソン比は０．２７２である。
【００７４】
外部エネルギー構成
【００７５】
所望の厚さのところを通って劈開前面を伝搬することができる、ＭおよびＰの加圧を導く一般的な構成は、化学的、物理的、熱的および機械的要素の複合的組合せである。それらは以下のように要約することができる。
【００７６】
Ａ．機械的な力およびモーメント
【００７７】
膜上に機械的にもたらされる力および／またはモーメントは、劈開エネルギーに加えられ、かつ制御伝搬を支援または可能にしうる。膜の限られた厚さおよびその相対的な脆弱性につき、機械的エネルギー入力は、制御された方法において膜の屈曲の形態において好適には正のモーメントである。
【００７８】
モーメント印加条件
【００７９】
膜に加えられるモーメントは、基板の残余部から離隔する膜の屈曲であった。そのような屈曲は、膜を破断しがちなＫIおよびＫII条件を生み出すであろう。もし純粋モーメント（Ｐ＝０）が用いられるならば、ＫIおよびＫIIはモーメント値に応じて変化するが、ωが５２．０７度の値で変化しないので、−ｃｏｓ（ω）／ｓｉｎ（ω）または−０．７８の一定比（ＫII／ＫI）を有する。この比率は応力強さの混合比として定義され、その値は厚さを（Ｙ方向に）変更するための伝搬前面に対する傾向を決定する。したがって、モーメントの印加は、混合比において負であり（膜を破断し）、き裂の先端によって経験されるとおり膜の屈曲に比例する。
【００８０】
膜にモーメントを加えるための安定的、準安定的および不安定的方法がある。主要な構成は以下に要約されている。
【００８１】
一定変位負荷
【００８２】
すべてのき裂拡張は加えられるモーメントを減ずるので、き裂の先端から離隔した所定の距離において膜に加えられる一定の変位は、安定的な負荷構成と考えられる。変位はき裂の先端を再負荷するように増加し、伝搬プロセスは再開しうる。ブレードまたは劈開前の膜の下方の任意点でＸおよびＹの双方に一定の距離を生じる他の手段は、一定変位負荷を生じるであろう。
【００８３】
一定力負荷
【００８４】
すべてのき裂拡張は加えられたモーメントを増大するので、き裂の先端から離隔した所定の距離で膜に加えられる一定の力は、不安定的な負荷構成と考えられる。これは通常、無制御のき裂拡張を生じる結果となり、したがって好適な負荷構成ではない。
【００８５】
一定モーメント負荷
【００８６】
膜上の一定のモーメントの負荷は、ここに記述されるとおり所定の構成を用いて形成されうる。この構成の１つの利点は、積極的な助力なしに所望のモーメントの負荷に留まるシステムの能力である。例えば、もしき裂拡張が第２の負荷を加えることにより生ずるならば、システムは同一のモーメントにより負荷され続ける。もしモーメントが材料の破壊強度を超えるように選択されるならば、無制御のき裂拡張が生じうるので、この構成は排除されることになる。
【００８７】
膜屈曲モーメントは、静的にもしくは準静的に、または、共鳴内でもしくは共鳴外で超音波的に励起するような動的な方法で加えられうる。すべての場合において、本発明のある実施形態に係る、き裂先端に伝えられるモーメント負荷Ｍは、超音波振動、変位、および所望の劈開面に沿って制御されたき裂伝搬を可能にする設計点への力を用いて、ＫIおよびＫIIの応力強さ係数を増大するように設計される。
【００８８】
劈開面の誘導が十分であれば（高いΔＫII−およびΔＫII＋）、構成にＰを加える理由はなく、所望の劈開面に沿った閾値き裂拡張が可能である。このモーメント負荷構成の−０．７８の元来のＫII／ＫI混合比を無効にするほど、ΔＫII−およびΔＫII＋が十分に高ければ、これが生じる。これはシリコン内に自然に起こるのではなく、最適な劈開面に起こり、これは膜脱離を実現するための十分な負荷構成となりうる。
【００８９】
Ｂ．Ｈ−レイヤ劈開レイヤ
【００９０】
伝搬劈開前面を駆動し誘導するようにはたらく注入レイヤの存在は、成功裡な劈開構成の別の要素である。（機械的、熱的等の）外部エネルギーに加えて低い供与量の劈開レイヤの使用は、安定的で所望の劈開条件を生じるために方程式（１２、１３）を用いてシミュレーションできる。方程式が示すとおり、エネルギー制御伝搬劈開を実現するために、圧縮劈開レイヤは方程式に負の力（−Ｐ）および正のモーメント（＋Ｍ）を付与し、または、適切な外部Ｍ、Ｐ入力が加えられて、ＫII制御伝搬も生じうる。
【００９１】
Ｃ．外部熱エネルギー
【００９２】
外部熱入力エネルギーの使用は、方程式１２および１３にバラエティに富んだＭおよびＰ入力を生成することができる。図４は、適切な熱エネルギーの配置および形式を選択する一般的な手引きとして使用されうる、加熱および冷却のマトリックスを示す。このマトリックスは面の冷却または加熱を想定しており、したがって部分的に記入されている。たとえば、ｈ／２下方の基板側部にある容積加熱は、モーメントをＭ＋に反転させる。
【００９３】
ＫII打ち消しを実現するための熱的ＭおよびＰ負荷まで、膜を横断する一定の温度の使用により、熱エネルギーは支配的にＰ負荷になりうる。さらに、それらは次節において展開される。
【００９４】
負荷の時間要素は重要である。例えば、膜の冷却および加熱は、効果のあるＰ負荷を形成するため所定の時間内に生じなければならない。したがって、熱負荷構成の一部として膜を使用することは、所定の条件でのみ効果的である。
【００９５】
図５は、グラフ内に示される２つの負荷例による熱処理の時間係数を示す。第１の例は、エネルギー制御を介して安定的な劈開伝搬を実現するために、既存の注入劈開レイヤに加える表面基板加熱方法である。この例において、レーザ加熱源が記述されているが、他の表面および表面下の加熱源も同様に効果的であろう。
【００９６】
第２の負荷例は、電子ビームパルス容積加熱源の利用である。これは、ＫII制御伝搬を実現するためにＭおよびＰの負荷を生成するように、劈開前面に近い膜側部を断熱的に加熱できる。この方法は注入レイヤを使用できるが、いかなる伝搬注入供与量なしに劈開深度制御をも付与しうる。
【００９７】
エネルギー制御伝搬へ導く劈開構成
【００９８】
一般的な方程式１２、１３は、水素劈開面が所望の深さ内で伝搬を維持するためにエネルギー障壁として役割を果たしうることを示す。変化する伝搬供与量が使用されるならば、劈開深さは劈開閾値エネルギー条件を維持するように変化する傾向にある。例えば、より低い伝搬供与量により、より多くの注入された応力レイヤを得るように、劈開深さは増大する傾向にある。これは、劈開面がｈ＋ｈｃである点に対してのみ作用でき、膜全面の一体的な応力が閾値エネルギー劈開条件を下回るべき場合は、劈開はもはや生じえない。外部のＭおよびＰは伝搬を持続するための十分なエネルギーを注入することができ、劈開深さをより下げる傾向にある。注入供与量が少なすぎるならば、その深さ制御機能は失われ、無制御の割れが生じうる。したがって、もし信頼性の高いエネルギー制御伝搬劈開が使用されるならば、十分に高い供与量の水素は深さ制御レイヤとして役割を果たすために存在することは重要な考察である。
【００９９】
水素限定劈開（５０ｕｍ劈開深さ）は、６５０〜７００℃劈開温度において約２．５×１０１６ｃｍ−２であることが実験的に確認されている。
【０１００】
熱的に誘導される膜応力に対する条件は、下記の通りＫIおよびＫIIの方程式に集約される。
Ｍ＝０およびＰ＝−σｔｈ＊ｈ
大きさαＣＴＥＥΔＴの熱応力関数が熱膨張係数αＣＴＥを有する材料において温度変化により生じることが認められると、方程式は、
（１４）  Ｐ＝−αＣＴＥＥｈΔＴ
である。ここで、ΔＴは温度処理にさらされる膜と結合される材料との間の温度差である。
【０１０１】
方程式（１２、１３）に代入すると、
【数８】
2010103488.tif 000010
（１５、１６）
である。ΔＴは、劈開前面の上方の材料および基板の残余部により与えられる温度差である。加熱源がＫIIに加えられるので、これはほとんどＫIIせん断劈開である。
【０１０２】
第１項は絶対温度に比例し他方第２項は温度差に比例するので、動的加熱パルスに従う熱浸漬は劈開条件を最適化するために調整される温度分布を形成しうる。例えば、もし高めの絶対劈開面温度が使用されるならば、低めの伝搬劈開供与量は効果的である。そのとき、温度差は重ね合わすことができる。
【０１０３】
この２段階プロセスは、加熱源の時間強度分布を変えることによって容易に実現することができる。例えば５０ｕｍシリコン膜に対して、膜熱時間定数は約３０〜４０ｕ秒である。
【０１０４】
加熱浸漬は、何百マイクロ秒からミリ秒の範囲での加熱により生じ、他方、加熱パルスΔＴは数十マイクロ秒時間係数における高めの強さの加熱により効率的に生じうる。例えば、５００℃絶対温度は、閾値温度条件を満たすため１００〜３００℃の膜−基板温度差に加えて、ミリ秒レーザービーム熱処理を使用して形成されうる。
【０１０５】
基板が加えた外部エネルギーに対して変化しない場合は、熱浸漬／パルスアプローチが行われうる。別の実施形態において、基板または加えられるエネルギーは、相関して変動しうる。ある実施形態において、加えられるエネルギーの単一の供給源は、浸漬およびパルス処理を実現するために、時間の経過と共に変化する強度を有しうる。別の実施形態によると、加えられるエネルギーの複数の供給源は、絶対温度を上げる１つの供給源（浸漬）と温度差を形成する第２の供給源（パルス）をもって走査されうる。
【０１０６】
図６Ａおよび６Ｂは、劈開前面のちょうど前方の基板表面上に衝突する熱ビームとして２段階熱浸漬／パルスプロセスを示す。衝撃波（次節参照）が使用されないならば、切断膜のすべての加熱は単純に膜に広がる。
【０１０７】
ＫII制御伝搬へ導く劈開構成
【０１０８】
一般的な方程式７および８は、膜に与えられる力とモーメントが、方程式に記載されたとおりき裂先端でＫIおよびＫII応力強さ係数を生成することを示している。膜の力Ｐは膜に与えられる幅単位あたりの力であり、Ｐ＝σ＊ｈのようなき裂先端における膜応力に関する。モーメントは、き裂先端でＭを生成する、膜上に伝えられるモーメントである。
【０１０９】
ＭおよびＰの関係が方程式７では加算であるが方程式８では減算であることは、ＰおよびＭの加圧がＫIにおいては加えることができ、他方ＫIIにおいては減ずることができることを示唆する。したがって、もしモーメントＭおよび膜力Ｐが適切に選択されるならば、ＫIIが打ち消される（０にされる）と同時にき裂拡張が実現する条件は、伝搬き裂が劈開面に沿って伝搬するための最大傾向を有することを確実にするであろう。この最適な一組の条件は低いまたは０の供与量劈開面動作を可能にし、さらにき裂拡張中に実現される実際の劈開深さの関数としてＭおよびＰの能動制御を介した制御された深さ誘導を可能にする。本発明の実施形態によると、そのような低減されたまたは無供与量条件および劈開深さにわたる制御は、実現される有効な利点の中でも特にきわだっている。
【０１１０】
熱衝撃を利用する劈開（動的劈開）
【０１１１】
ある実施形態によると、劈開は、急速な温度差により生じる膜レイヤ内の応力の動作を介して実現されうる。特に、冷却（冷却衝撃）または加熱衝撃への基板の露出は、膜の劈開をもたらしうる。一方、き裂先端後方の膜の衝撃加熱は、所定の条件下でき裂を進行させるために必要な応力を生じる。両者のＰ負荷構成は、本項の後段により詳細に要約されている。
【０１１２】
熱専用劈開エネルギー方程式（Ｈ劈開面なし）は、Ｍ＝０および方程式（１４）に定義されるＰをもって、方程式（２、３）（７、８）を解くことによって導出することができる。
（１７）  Ｇ’＝２＊γ’＝１／２＊αＣＴＥ２＊Ｅ＊ｈ＊ΔＴ２＊（１−ｖ２）
【０１１３】
本発明の特定の実施形態によると、正の熱ＫIIおよび負のモーメントＫIIの動作は、Ｇ’＝２＊γ’（任意のしかるべき閾値劈開エネルギー条件）かつＫII＝０の条件の同時実現を可能にする劈開伝搬技法を生じさせるために組み合わせることができる。
【０１１４】
熱的加熱衝撃劈開
【０１１５】
もし加熱衝撃が劈開前面に慣性力を伝えるのに充分早く展開されるならば、加熱衝撃はき裂先端後方の膜上に加えられうる。加熱衝撃がこの構成においてＰを効率よく展開することを可能にするために、き裂先端領域から離隔する膜の動きを介する拡張の力学緩和がある前に加熱は衝撃波を生じる。
【０１１６】
加熱時間が膜の熱時定数に関連づけられる場合の事前の膜基板加熱構成と比べると、膜加熱構成は、膜材料の音響時定数と同一のオーダーの時間係数に適用される。したがって、加熱衝撃の幅およびき裂先端へのその近さに応じて、１００ナノ秒弱から数マイクロ秒の範囲での非常に短い時間間隔で、高速加熱が加えられる。
【０１１７】
閾値き裂伝搬条件（ΔＴ＝１８３℃）を実現するため、例えば５０ｕｍのシリコンでは２５０ナノ秒内で、６ＭＷ／ｃｍ２のパワー密度が求められる。これは、シリコンを断熱加熱型にする非常に高いパワー密度である。
【０１１８】
点食、表面溶解、膜の破損および割れの形態で損傷を招来しうる、シリコン膜深さに沿った加熱応力を生成することを回避するため、容積加熱は表面加熱よりも好適である。電子ビーム（Ｅビーム）加熱は、（劈開されたまたは劈開されていない）膜の一部を容積的に加熱することができるので、本加熱に適用する好適な代替技術である。
【０１１９】
また、電子ビームは、下記の一般的な特性により高度に制御できる。電子ビームは、高度な制御性および速度により広い領域にかけてビームが走査することを可能にする。電子ビームはビームの強さおよび直径（ミクロンからセンチメートルの大きさまで）の優れた制御を可能にする。電子ビームは、ナノ秒からＣＷまでのパルス処理の制御を可能にする。電子ビームは、電子ビームエネルギー（ＫｅＶからＭｅＶまで）を変換することにより加熱する深さの制御を可能にする。図７に示されるとおり、それらの電子ビームエネルギーは、数ミクロンから数センチメートルまでのビーム透過範囲に相当する。
【０１２０】
したがって、ビームの仕事率流量は、ビームの直径、ビームのエネルギーおよびビームの強さを選択することにより容易に制御され、他方、透過範囲はビームエネルギーにより選択される。例えば、シリコン内５０ｕｍ電子ビーム透過は約８０ＫｅＶであって、０．５ｍｍのビーム直径は２５０ｎ秒パルスに対して２００ｍＡのビーム強さを必要とする。一方、パルス化ビーム処理は充分に速く走査されるＣＷビームによりなされうる。上述の例について、要求されるビーム走査速度は０．５ｍｍ／２５０ｎ秒または２００，０００ｃｍ／秒であろう。
【０１２１】
上述の特性はすべてではないにせよ、ほとんどが、精緻な真空溶接および材料修正用途のために構築される現存システムに有効でありうる。例えば、Pavac Industries, Inc.（リッチモンド、Ｂ．Ｃ．カナダ、www.pavac.com）およびその他からの電子ビームシステムは、断熱加熱源として使用できる。
【０１２２】
電子ビームは、ＫII打ち消し構成の下でき裂先端の伝搬を制御しうる。また、電子ビーム技術は、純粋せん断条件の下での可能な劈開と同様に膜の第１領域を開始するために使用されうる。それらの方法は以下に記述されている。
【０１２３】
ＫII打ち消しを利用する劈開深さの制御
【０１２４】
膜厚の精緻な制御を維持することは、高度に均一な膜を実現するのみならず、劈開の失敗を回避するために重要である。ＫII打ち消し方式は、能動的な深さ制御フィードバックの関数として適用されるモーメントを調節することにより、伝搬劈開深さを制御する固有の機能を提供する。
【０１２５】
方程式１２および１３は、適用される負荷によりＫIおよびＫII応力強さ係数がどのように変化するかを示している。断熱加熱源を使用して、ＫII打ち消しは正のＰおよびＭによって可能である。図４を参照すると、この組合せは、膜衝撃加熱により可能である。
【０１２６】
電子ビームは要求される仕様への適合に有効である。図８は、シリコンにおける１００ＫｅＶ電子ビームに対するエネルギー堆積加熱分布のモンテカルロシミュレーションを示す。システムの熱拡散時定数に比べてエネルギーが早く堆積されるならば、この分布はまたシステムに伝えられる瞬間温度分布および熱弾性応力分布を示す。
【０１２７】
ビームの強さおよびエネルギーを変更することにより、ＭおよびＰは、エネルギーまたはＫII制御伝搬をもたらしうる所望の組合せに同時に調整されうる。１ＭｅＶ以下の電子エネルギーにより、容積加熱分布の一般的な形状は、エネルギーに依存せず深さの尺度のみであることが認められている。
【０１２８】
例えば、シミュレーションされた電子エネルギー堆積分布による方程式１２および１３の解は、ＫII制御伝搬を生成するための本発明の方法の有効性を示しうる。図９は、膜内においてピーク温度６３５℃およびピーク位置約５．３５ｕｍを有する、シミュレーションされた電子ビーム分布を示す。き裂先端にＭおよびＰを完全結合することを想定すると、これは、モーメントＭ〜８×１０−２Ｎ−ｍ／ｍおよび力Ｐ〜４．３×１０３Ｎ／ｍを生じるであろう。演算結果のＫIは２．４Ｊ／ｍ２をちょうど超え、ＫIIは打ち消される。
【０１２９】
図１０は、応力強さの構成要素（Ｄ１としてのＫI２／Ｅ’およびＤ２としてのＫII２／Ｅ’）のそれぞれからの劈開エネルギー寄与度を示す。ＫII＝０の条件はＤ２＝０に相当し、一方、Ｄ１エネルギーはちょうど２．４Ｊ／ｍ２を超えるような状態にある。αＣＴＥは、６００〜７００℃の温度範囲でより正確な３．５ｐｐｍと想定していることに留意されたい。このＫII＝０の条件は、所望の深さｈ＝５０ｕｍに沿って水平にき裂を伝搬させるであろう。
【０１３０】
この条件は、進行が止まるまでき裂が所定の距離に伝搬することを可能にするはずである。き裂劈開速度はシステムの熱時定数よりも速いので、この温度分布は持続しかつ劈開プロセスを介して熱拡散しない。
【０１３１】
約５００ｕｍから数ミリメータの電子ビームの大きさは、およそ同一の長さまでき裂を拡張するはずである。熱パルスの熱緩和の後、プロセスはき裂を別の増分動かすことを繰り返すことができる。
【０１３２】
上記は、き裂先端に隣接する膜領域上にパルス化ビームを使用することを記述した。一方、ＣＷまたはパルス化ビームは、（図中の）劈開先端に沿って走査する方法で同一の機能を実現できた。ビームスポット変位速度を利用して同一の温度−時間分布を付与するためにビーム強さを調整することにより、走査ビームは、走査ビームとの共時性で動的にき裂を伸張しうる。したがって、深さの制御はビームのエネルギーおよび強さを調節することにより実現することができ、その間、き裂は所望の深さを実現するように伝搬する。このことは、低減された供与量または無供与量の伝搬でさえ、本発明の技術を用いて可能であることを示している。
【０１３３】
膜開始反応のための熱衝撃技術の利用
【０１３４】
最低の総供与量膜劈開プロセスを可能にすることに関連して、パターン化された注入の利用を上に述べた。提案されたプロセスの順序において、幅数ミリメータの膜を部分的に解放するために、膜開始反応は多めの供与量で実現される。ＫIIの打ち消しまたは膜伝搬の別の方法の下で、この部分的に解放された膜は次々に劈開のバランスを伝搬するように使用されうる。
【０１３５】
電子ビーム技術、レーザまたはフラッシュランプ技術は、基板から膜を剥離するのに利されうる。エネルギー範囲が、膜温度が基板の縁に近い開始領域内で容積的に増えることを可能にするよう調節できるので、電子ビーム技術は特にこの目的に最適であるかもしれない。パルス化されたエネルギーは、時がたてば膜厚内でほぼ一定な温度上昇ΔＴを蓄積し、劈開面またはそれに隣接する場所で調整された温度分布において急激な変化をともなう。
【０１３６】
電子ビームの露光によるシリコンのそのような断熱加熱は、ある時限にかけての電子ビームの照射に対するシリコン内エネルギー密度対深さをプロットする図９に示されている。ビームの強さおよびエネルギーは、ＫII制御伝搬に対応するように選択される。（１１１）シリコン上のこの５０ｕｍ膜劈開の実施例において、ＫIIは５．３５ｕｍのピーク熱深さで打ち消される。
【０１３７】
例えば、２５０ｎ秒のパルスは、基本的に膜厚よりも薄い約５ｕｍで温度分布を拡散するのみである。これは、膜の厚さ方向に熱衝撃の存在を制限する劈開動作を引き起こし、膜を制御可能に劈開しうるＫIおよびＫIIの構成要素を生成する。開始劈開はある縁で始まり、伝搬劈開方法を支持するため所望の膜幅にわたるように伸張されうる。あるいは、開始の劈開は内側位置で始まり、その後外周に伸張されうる。もし内側の開始劈開が用いられるならば、真空環境は、上方向の膜の動きに対する復元力を生じるのに相当するような圧力がないので、膜の座屈に必要なエネルギーを減じることにより劈開プロセスには便宜である。
【０１３８】
膜伝搬のための断熱技術の使用
【０１３９】
また、容積加熱特性と組み合わせた集中熱パルスは、開始領域から膜を伝搬するために使用できる。特に電子ビーム技術を用いて、膜厚に均一に加熱しうる高速パルスの応用は、純粋せん断劈開によりまたはモーメントの助力により膜の制御伝搬を可能にしうる。膜の劈開に対する電子ビーム技術の使用は、米国特許第６，０１３，５６３号明細書に記載されており、すべての目的で全体を参照としてここに援用する。本発明の個々の実施形態に従って、電子ビームの照射は、基板の正面に対して垂直方向に適用されうる。
【０１４０】
電子ビーム容積加熱（容積加熱形状とピーク熱温度Ｒｐ）の整合は、高めまたは低めのエネルギー電子ビームを選択することによりなしうる。所望のモーメントＭを生み出すために劈開される膜の厚さ内にそのＲｐがあるように、電子ビームエネルギーは選択されうる。
【０１４１】
エネルギーの範囲はき裂先端に近い膜内での容積的な膜温度の上昇を可能にするように調整できるので、電子ビーム照射の使用は、ここでは特に好適かもしれない。パルスエネルギーは、膜厚内で、所望のＭおよびＰ負荷を生じるように調整される温度分布の急激な変化を蓄積する。
【０１４２】
例えば、２５０ｎ秒のパルスは、基本的に膜厚よりも薄い約５ｕｍで温度分布を拡散するのみである。これは、膜の厚さ方向に熱衝撃の存在を制限するせん断劈開を引き起こし、膜を制御可能に劈開しうる大きなせん断を生ずる。
【０１４３】
急速断熱加熱は伝搬劈開を導くのを促進することが可能な急激な圧縮応力分布を与えるので、電子ビームの加熱方法の使用は、このモードにおいて便宜である。また、劈開の深さは、電子ビームエネルギーに替え、例えば容積加熱にさらされる膜の厚さを変化することによって制御されうる。
【０１４４】
また、加熱区域幅の選択は劈開伸張にわたる制御を生ずることが確認された。加熱区域幅は、第１には、加熱周期において生じるき裂伸張の量を決定する。これは、劈開前面が加熱劈開領域の縁に届いた後、Ｇ’が下がり、伝搬劈開が止まるからである。
【０１４５】
最後に、注入劈開レイヤと一緒に使用される加熱技法のすべては、注入誘導される応力をより効率的に利用するのを促進できる。これは、より高い温度によって生じ、同時に注入応力（それらは通常ｋＴに比例する）を増加する。したがって、加熱パルスは劈開面への二次的な好適な効果を有し、劈開伝搬のよりよい誘導のために劈開面の応力を高める。
【０１４６】
劈開プロセスの継続は、最終的に、半導体基板の残余部から、劈開領域に沿った厚膜の完全な剥離を生ずる。ある実施形態において、新規に露出された表面領域を有するこの残余部は、劈開開始および伝搬方法を再び実施することにより劈開方法を繰り返すための状態にある。
【０１４７】
より低い表面エネルギーの劈開面は、半導体基板に対する表面領域として選択されてもよい。このように、ある実施形態において、任意の厚膜が基板から剥離された後、新規の表面は、基本的に本来の結晶方位面で良好状態にあり、追加のレイヤトランスファ産物にとって比較的小さな表面粗さを有し、腐食または研磨のような複雑な表面処理の必要性がない。
【０１４８】
もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態がありうる。実施形態に応じて、プロセスは、太陽電池、集積回路、光デバイス、それらのすべての組合せなどの組成用のものでありうる。
【０１４９】
上記は、具体的実施形態のすべての記述であるが、さまざまな修正、代替の順序および装置が用いられてもよい。上記は、ステップの選択された順序を使って記述されているが、記述されたステップの任意の要素の組合せや他のものを使うこともできる。また、任意のステップを実施形態に応じて組み合わせおよび／または取り除くことができる。
【０１５０】
さらに、イオン粒子の種類は、代替の実施形態にしたがって、劈開領域の形成を可能にするために、水素イオンから、ヘリウムイオン、重水素イオンまたは任意の組合せまで種々でありうる。さらにまた、劈開プロセスは、真空チャックまたは静電チャックプロセスを使用する温度制御／支援劈開を含んでもよい。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態がありうる。
【０１５１】
添付書面Ａとしてここに追記され、すべての目的で全体を参照としてここに援用するのは、下記の論文、Henley等による、“Direct Film Transfer (DFT) Technology for Kerf-Free Silicon Wafering”である。添付書面Ｂとしてここに追記され、すべての目的で全体を参照としてここに援用するのは、一組のプレゼンテーションスライドである。
【０１５２】
したがって、上述の実施例および実施形態は説明目的のためのみのものであり、これらの見地から種々の修正および変更は当業者に示唆されかつ本願の趣旨および範囲ならびに付属の請求の範囲内に含まれることもまた理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３Ａ】
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【外国語明細書】
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