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厚膜材料解理处理期间的 温度控制设备和方法

阅读：501发布：2020-12-27

专利汇可以提供厚膜材料解理处理期间的温度控制设备和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于制造厚膜材料的温控设备包括台，其包括用于支撑将注入且随后解理的散料的平坦表面。散料具有表面区、侧面区、和提供材料容量并限定在底部区和表面区之间长度的底部区。该设备还包括机械夹具，适于将底部区接合到台的平坦表面，使得散料与平坦表面物理接触，用于通过散料和台之间的界面区传递热能，同时使表面区充分暴露。此外，该设备还包括传感器装置，被配置为测量表面区的温度值并产生输入数据。该设备还包括注入装置，被配置为通过散料的表面区的一个或多个部分执行多个粒子的注入；以及控制器，被配置为接收和处理输入数据以至少通过台的平坦表面和散料的底部区之间的至少界面区来提高和/或降低表面区的温度值。，下面是厚膜材料解理处理期间的温度控制设备和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于制造厚膜材料的温控设备，所述设备包括：
台，包括用于支撑即将注入的散料的平坦表面，所述散料具有表面区、侧面区和底部区，所述表面区、侧面区和底部区提供了材料的容量，所述材料的容量具有在所述底部区和所述表面区之间限定的长度；
机械夹具，适于将所述散料的所述底部区接合到所述台的所述平坦表面，以使所述散料与所述平坦表面物理接触，用于在使所述散料的所述表面区充分暴露时，通过所述散料和所述台的所述平坦表面之间的界面区传递热能；
传感器装置，被配置为测量所述表面区的温度值，所述传感器装置适于生成输入数据；
注入装置，被配置为执行导入所述散料的所述表面区的一个或多个部分的多个粒子的注入；以及
控制器，被配置为接收所述输入数据，并处理所述输入数据，以至少通过在所述台的所述平坦表面和所述散料的所述底部区之间的所述界面区提高或降低所述散料的所述表面区的所述温度值。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述机械夹具被配置为接合在所述散料的所述侧面区上的一个或多个凹槽，用于将所述散料夹持到所述台的所述平坦表面上，其中，所述一个或多个凹槽存在于衬板的一侧或存在于所述散料的同质部分。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述侧面区上的所述一个或多个凹槽被连接以包围所述侧面区，或者是在所述侧面区上具有用于稳固夹持的适当位置的三个或更多个独立的凹槽。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，用于夹持所述散料的所述一个或多个凹槽位于从所述底部区起的所述散料的长度的30％之内，以使从所述表面区到70％长度的散料的解理不会受到所述凹槽的影响。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述散料的所述表面区包括平坦化表面，以方便所述注入。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述散料的所述底部区包括用于与所述台的所述平坦表面接合的平坦化表面。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，通过所述机械夹具使所述散料与所述台接合而形成的所述界面区包括腔，所述腔具有通过在所述散料的所述底部区的至少一部分和所述台的所述平坦表面的一部分之间的闭环密封部来密封的高度。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述闭环密封部位于所述散料的所述底部区的边缘附近。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述腔的高度在3微米到200微米的范围内。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述腔内的所述台的所述平坦表面包括连接至气体供应/抽取组件的一个或多个气体通道。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述一个或多个气体通道以具有可调压力的气体来填充所述腔。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述气体是氦或氢。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述气体是氩或氮。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述可调压力被测量为从1Torr到300Torr。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，提供低温或室温的所述气体，或者加热所述气体。
16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述台是绝缘卡盘，被配置为提供静电力以吸附所述散料。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述台的所述平坦表面具有与所述散料的所述底部区基本相同的面积和形状。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述台还包括附加于其底部的流体冷却和加热单元。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述台还包括感应加热器以加热所述散料。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述台被安装在衬垫上，所述衬垫允许注入束穿过所述衬垫来扫描。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，将被解理的所述散料包括单晶硅或锗锭、多晶硅瓦、多晶体硅瓦和化合物半导体锭或瓦片中的至少一种。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器装置包括一个或多个温度传感器、位置传感器、压力传感器、和表面粗糙度传感器。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，在通过解理处理去除一个或多个自支撑厚膜中的每一个之后，所述传感器装置都能够更新关于所述表面区的温度值和所述散料的长度的所述输入数据。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，所述传感器装置还能够在每次解理处理之后测量表面粗糙度，以确定所述散料的解理后表面区是否足够光滑来进行下一次注入处理，如果不够平滑，则执行特定表面光滑处理。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述表面光滑处理包括表面重堆叠、离子溅射、蚀刻、沉积平滑层、和原地退火处理中的至少一种。
26.根据权利要求1所述的设备，其中，所述注入装置包括线性加速器，所述线性加速器包括一个或多个射频四级场RFQ元件、一个或多个漂移管线性加速器DTL元件、或者RFQ和DTL元件的组合。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述线性加速器将离子粒子加速到1MeV至
5MeV范围内的能量，以形成用于执行解理处理的粒子束。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述线性加速器还包括位于在出口孔的扩束器或束扫描装置，所述扩束器能够将所述粒子束的束尺寸扩展到50cm。
29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述离子粒子包括氢物种。
30.根据权利要求28所述的设备，其中，所述离子粒子包括氘物种。
31.根据权利要求1所述的设备，其中，所述注入装置至少被配置为：
以第一温度引入多个第一粒子，以在解理区周围中形成缺陷区；以及
以第二温度将多个第二粒子引入到所述解理区，以使所述解理区的应力级从第一值增加到第二值。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述第一温度在-100摄氏度到250摄氏度的范围内。
33.根据权利要求31所述的设备，其中，所述第二温度高于250摄氏度但不高于550摄氏度。
34.根据权利要求31所述的设备，其中，所述注入装置被配置为在引入所述多个第一粒子之后和引入所述多个第二粒子之前进一步执行处理过程。
35.根据权利要求31所述的设备，其中，所述注入装置被配置为在引入所述多个第二粒子之后进一步执行解理处理，所述解理处理包括使所述解理区退火并从所述散料的所述解理区处去除一个或多个自支撑厚膜。
36.根据权利要求35所述的设备，其中，从所述散料中解理的所述一个或多个自支撑厚膜中的每一个的厚度均在15微米到200微米的范围内。
37.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器包括控制电子装置，所述控制电子装置能够通过运行多个相应的控制代码来执行由计算机系统管理的多个控制任务和处理操作。
38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述控制器被配置为执行用于操纵注入装置的第一控制代码，所述第一控制代码至少包括调整占空因数、粒子功率级、射束形状、和剂量速率；或者被配置为执行用于操纵所述注入的第一代码，所述第一代码至少包括调整功率级、射束形状、扫描速率、图案、和用于扫描处理的剂量速率。
39.根据权利要求37所述的设备，其中，所述控制器被配置为执行第二控制代码，所述第二控制代码用于命令所述机械夹具来处理所述散料使得来自所述散料的所述表面区的真实容量被处理而不受到所述夹具的物理影响，和/或用于命令所述传感器装置来监测处理过程中所述散料的状态。
40.根据权利要求37所述的设备，其中，所述控制器还被配置为执行第三控制代码，所述第三控制代码用于在处理操作期间通过平衡通过气体层界面辅助的所述台的冷却以及来自注入粒子和一个或多个外部辐射热源的加热来对散料进行温度控制。
41.根据权利要求40所述的设备，其中，所述一个或多个外部辐射热源包括多个二维分布的闪光灯，每个闪光灯均通过所述控制器独立操作，以调整脉冲速率和强度中的至少一个。
42.根据权利要求40所述的设备，其中，位于所述散料的所述表面区上的所述一个或多个外部辐射热源包括具有缓慢改变的热功率通量速率的一个或多个源，用于以小于20℃的表面到底面温差来加热所述散料的所述表面区。
43.根据权利要求40所述的设备，其中，位于所述散料的所述表面区上的所述一个或多个外部辐射热源包括具有快速改变热功率通量速率的一个或多个源，用于比所述表面区的热传导时间常数更快地加热所述散料的所述表面区。
44.根据权利要求43所述的设备，其中，具有快速改变的热功率通量速率的所述源是脉冲激光器。
45.根据权利要求44所述的设备，其中，所述脉冲激光器是YAG或YLF调Q激光器。
46.一种用于在从散料中解理多个自支撑厚膜的处理期间进行温度控制的方法，所述方法包括：
提供用于解理的散料，所述散料具有表面区、底部区和从所述表面区到所述底部区的长度的侧面区；
使用适于通过密封部使所述散料的所述底部区与台的平坦表面接合的机械夹具来夹持所述散料，以形成具有在所述底部区和所述平坦表面之间高度的腔，所述平坦表面包括使填充所述腔的气体具有可调压力的多个气体通道，所述台包括用于支撑即将注入的散料的所述平坦表面；
感测所述散料的状态以生成输入数据，所述输入数据包括所述表面区和所述底部区处的温度信息以及在所述表面区和所述底部区之间的所述散料的长度；
通过至少处理所述输入数据来保持所述表面区的温度，并利用下述中的至少一个来执行控制方案：
粒子轰击以加热所述表面区；
辐射以加热所述表面区；以及
在所述底部区和所述台之间进行气辅传导。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述台在所述控制方案中感应加热所述散料。
48.根据权利要求46所述的方法，其中，所述散料包括单晶硅或锗锭、多晶硅瓦、多晶体硅瓦和化合物半导体锭或瓦中的至少一种。
49.根据权利要求46所述的方法，其中，预先处理所述散料，以平坦化所述表面区，用于方便解理处理。
50.根据权利要求46所述的方法，其中，执行通过所述机械夹具夹持所述散料，以使所述表面区和从所述表面区开始的至少70％的散料充分暴露，用于解理厚膜而不受到所述夹具的干扰。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述机械夹具是能够执行去除夹持的自动机械的一部分。
52.根据权利要求50所述的方法，其中，所述机械夹具还电连接至所述散料，以通过焦耳热来加热所述散料。
53.根据权利要求50所述的方法，其中，所述密封部是气密的并且足够安全地将所述腔内的气压维持到300Torr。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述密封部包括O形环或绝缘凸缘或金属凸缘。
55.根据权利要求53所述的方法，其中，提供到所述腔内的所述气体包括氢、氦、氩和氮中的至少一种气体。
56.根据权利要求53所述的方法，其中，提供到所述腔内的所述气体是低温气体、室温气体、或加热的气体。
57.根据权利要求46所述的方法，其中，所述台的所述平坦表面具有与所述散料的所述底部区基本相同的面积和形状。
58.根据权利要求57所述的方法，其中，所述台是能够产生静电力以吸附所述散料的静电卡盘。
59.根据权利要求57所述的方法，其中，所述台还包括附着于其底部的流体温控单元。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述流体温控单元利用液体或气体穿过所述台来冷却或加热所述散料。
61.根据权利要求46所述的方法，其中，所述台和所述机械夹具都被安装在允许沿X-Y二维移动的衬垫上。
62.根据权利要求46所述的方法，其中，感测所述散料的状态包括使用多个传感器，所述多个传感器包括温度传感器、位置传感器、压力传感器、和/或表面粗糙度探针。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述温度传感器包括执行温度测量的一个或多个光学高温计或热电偶。
64.根据权利要求62所述的方法，其中，所述位置传感器能够在通过逐步解理处理从所述散料中去除每个自支撑厚膜之后跟踪所述散料的长度。
65.根据权利要求62所述的方法，其中，所述表面粗糙度探针能够在从所述散料中解理每个自支撑厚膜之后执行所述表面区的粗糙度值的原地测量。
66.根据权利要求65所述的方法，其中，如果所述粗糙度值满足预置标准，则解理处理可以继续；否则，中止解理处理来修复所述表面区。
67.根据权利要求66所述的方法，其中，通过离子粒子轰击、蚀刻和在所述表面区上沉积光滑层中的至少一种处理来修复所述散料的所述表面区。
68.根据权利要求46所述的方法，其中，利用辐射来加热所述表面区包括：使用位于所述表面区上的外部辐射热源。
69.根据权利要求68所述的方法，其中，所述辐射热源包括具有受控电源、脉冲频率、和空间分布的多个闪光灯。
70.根据权利要求68所述的方法，其中，所述外部辐射热源包括具有较慢改变的热功率通量速率的一个或多个源，用于以小于20℃表面到底部温差来加热所述散料的所述表面区。
71.根据权利要求68所述的方法，其中，所述外部辐射热源包括具有快速改变的热功率通量速率的一个或多个源，用于比所述表面区的热传导时间常数更快地加热所述散料的所述表面区。
72.根据权利要求71所述的方法，其中，具有快速改变的热功率通量速率的所述源是脉冲激光器。
73.根据权利要求72所述的方法，其中，所述脉冲激光器是YAG或YLF调Q激光器。
74.根据权利要求46所述的方法，其中，利用粒子轰击来加热所述表面区包括：利用来自由注入装置生成的离子粒子束的功率通量。
75.根据权利要求74所述的方法，其中，通过改变所述注入装置的占空因数来调节来自离子粒子束的所述功率通量。
76.根据权利要求75所述的方法，其中，通过电磁扫描装置来调节所述占空因数。
77.根据权利要求46所述的方法，其中，利用在所述底部区和所述台之间的气辅传导来冷却所述底部区包括：调节所述腔内的气压以控制热功率传递。
78.根据权利要求46所述的方法，其中，所述腔的高度在3微米至200微米的范围内。
79.根据权利要求46所述的方法，其中，用于从所述散料中逐部去除一个或多个自支撑厚膜的解理处理包括：在第一温度处引入多个第一粒子以在解理区周围形成缺陷区，并且在第二温度处将多个第二粒子引入到所述解理区，以使所述解理区的应力从第一值增加到第二值。
80.根据权利要求79所述的方法，其中，所述多个第一粒子包括氢、氘和氦中的至少一种。
16 2
81.根据权利要求80所述的方法，其中，以8×10 原子/cm 或更小的剂量提供所述多个第一粒子。
82.根据权利要求79所述的方法，其中，所述多个第二粒子包括氢、氘和氦中的至少一种。
16 2
83.根据权利要求79所述的方法，其中，以5×10 原子/cm 或更小的剂量设置所述多个第二粒子。
84.根据权利要求79所述的方法，其中，使用线性加速器处理来提供所述多个第一粒子和第二粒子的所述引入，所述线性加速器处理包括利用多个射频四极场RFQ元件、多个漂移管线性加速器DTL元件或者这两者的组合来限定并加速所述多个第一粒子和第二粒子。
85.根据权利要求84所述的方法，其中，提供在1MeV至5MeV的能量范围内的所述多个第一粒子和第二粒子。
86.根据权利要求79所述的方法，还包括在引入所述多个第一粒子之后和引入所述多个第二粒子之前的处理过程，所述处理过程包括在400摄氏度或更高的温度处提供热处理，以使所述缺陷区更接近于所述解理区并稳定所述缺陷区。
87.根据权利要求79所述的方法，其中，所述第一温度在从-100摄氏度到250摄氏度的范围内。
88.根据权利要求79所述的方法，其中，所述第一温度低于250摄氏度。
89.根据权利要求79所述的方法，其中，所述第二温度高于250摄氏度但不高于500摄氏度。
90.根据权利要求46所述的方法，其中，用于从所述散料中逐步去除一个或多个自支撑厚膜的解理处理还包括重复生成具有大于15微米且小于200微米的厚度的所述散料的多个自支撑厚膜。
91.根据权利要求90所述的方法，其中，所述解理处理是用于去除所述膜的热解理处理。
92.根据权利要求90所述的方法，其中，所述解理处理是利用垂直热梯度来去除所述膜的受控解理处理CCP。
93.根据权利要求92所述的方法，其中，通过使用脉冲激光器系统、脉冲闪光灯或脉冲离子束所产生的对流热传递、辐射热传递和导热传递的组中的一种或多种来进行所述垂直热梯度。
94.根据权利要求90所述的方法，其中，所述解理处理是利用水平温度/应变梯度来去除所述膜的受控解理处理CCP。
95.根据权利要求46所述的方法，其中，用于从所述散料中逐步去除一个或多个自支撑厚膜的解理处理还包括：使用注入剂量梯度，以使所述解理优先以较高剂量开始。
96.根据权利要求95所述的方法，其中，离子注入源也用于产生具有高剂量区的图样化注入，所述高剂量区被配置为单独开始解理或一旦暴露于附加能量则开始解理。
97.根据权利要求46所述的方法，其中，用于从所述散料中逐步去除一个或多个自支撑厚膜的解理处理还包括：对所述自支撑厚膜执行表面处理，以去除表面裂纹并降低剩余散料的表面粗糙度。
98.根据权利要求46所述的方法，其中，所述粒子轰击产生具有足够高剂量的部分的图样化注入，以单独开始解理或一旦应用热能则开始解理。
99.根据权利要求46所述的方法，其中，所述机械夹具接合所述散料的同质部分中的凹槽，或接合与所述同质部分接触的衬板中的凹槽。

说明书全文

厚膜材料解理处理期间的温度控制设备和方法

[0001] 相关参考的交叉申请

[0002] 本非临时专利申请要求于2007年1月26日提交的美国临时专利申请第60/886,912号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

[0003] 本发明大体上涉及包括用于制造材料的方法和设备的技术。更具体地，本方法和设备包括用于从散料(例如，硅锭)中解理自支撑(free-standing)厚膜的温度控制。这种自支撑厚膜被用作诸如太阳能电池的光电材料。然而，应当了解，根据本发明的实施例具有更宽的应用范围，其还可以被应用于其他类型的应用，例如，用于集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、制动器、集成电路、半导体衬底制造、生物和生物医学器件等的三维封装。

背景技术

[0004] 从一开始，人类就依赖太阳来获得几乎所有可用形式的能量。这种能量来自于石油、发光物、木材、和各种形式的热能。仅作为实例，人类已非常依赖诸如煤和汽油的石油资源，用以满足他们的大多数需要。不幸地，这种石油资源已耗尽并导致了其他问题。作为替代品，建议使用部分太阳能，以减少我们对石油源的依赖。仅作为实例，可以通过通常由硅制成的“太阳能电池”来获得太阳能。

[0005] 硅太阳能电池当暴露于来自太阳的太阳辐射中时生成电能(electrical power)。该辐射与硅的原子之间进行交互，以及形成移动至硅衬底中的p掺杂区和n掺杂区并在掺杂区之间产生压差和电流的电子和空穴。根据应用，太阳能电池与集中元件(concentratingelement)集成以提高效率。作为实例，太阳辐射利用将这种辐射引导至有源光电材料的一个或多个部分的集中元件来进行蓄能和聚焦。虽然有效，但是这些太阳能电池仍然具有许多限制。

[0006] 仅作为实例，太阳能电池依赖诸如硅的原材料。经常使用多晶硅和/或单晶硅材料来制成这种硅。这些材料通常难以制造。多晶硅电池通常通过制造多晶硅板来形成。虽然可以节约成本的方式形成这些多晶硅板，但是它们不能在捕获太阳能和将所捕获的太阳能转换为可用的电能的过程中展现出最大可能效率。相反地，单晶硅(c-Si)展现了适于高级太阳能电池的性能。然而，这种单晶硅制造成本高并很难以有效且节约成本的方式用于太阳能应用。具体地，用于制造集成到太阳能电池的单晶硅衬底的技术涉及将单晶硅厚膜从原始生长的单晶硅锭中分离出来。

[0007] 根据以上，可以看出期望改进用于制造包括太阳能电池的集成电路装置应用的自支撑厚膜的技术。

发明内容

[0008] 根据本发明的实施例总体上涉及包括用于在从诸如硅锭的散料中解理自支撑厚膜期间进行温度控制的方法和设备的技术。这种自支撑厚膜被用作诸如太阳能电池的光电材料。然而，应当了解，本发明具有更宽的应用范围；其也可以应用于其他类型的应用，例如，用于集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、制动器、集成电路、半导体衬底制造、生物和生物医学器件等的三维封装。

[0009] 可以在期望的表面温度下利用离子物种的注入使具有15μm或以上厚度的半导体材料的自支撑厚膜从散料中解理。在一个实施例中，解理涉及利用机械夹具(clamp device)在温控台上通过密封部(seal)可去除地放置(hold)散料，然后在较低的第一温度下注入诸如离子的粒子以产生解理区，接着在较高的第二温度下注入诸如离子的粒子以提高解理区中的应力。在另一实施例中，温控台和散料底部之间的密封产生了能够填充具有可调节气压的气体的薄腔。在又一实施例中，通过调节薄腔中的气压，来控制从散料表面到散料底部的热传递以及进一步控制用于进行注入的表面温度。在一些实施例中，散料的底部(例如，利用导热粘合剂或导热环氧树脂)被粘合至热的机械衬板，该衬板能够有助于散料的设置和处理。根据特定实施例，衬板横截面的尺寸可以稍大于、稍小于、或等于散料的尺寸。根据特定实施例，衬板可以在其他散料上重新使用。所得到的解理后的诸如单晶硅的半导体材料的自支撑厚膜尤其适于聚集太阳能。

[0010] 在一个具体实施例中，本发明提供了一种用于对厚膜材料的制造进行温度控制的设备。该设备包括台，其包括用于支撑将要注入的散料的平面。散料包括表面区、侧面区、和底部区。侧面区、底部区、和表面区均提供了具有限定在底部区和表面区之间的长度的材料容量。该设备还包括机械夹具，用于将散料的底部区连接(engage)至台的平面，以使散料与平面物理接触，从而在散料的表面区基本上暴露的同时通过散料和台的平面之间的界面区来传递热能。另外，该设备还包括传感器装置，被配置为测量表面区的温度值。该传感器装置用于生成输入数据。此外，该设备包括注入装置，被配置为通过散料表面区的一个或多个部分来执行多个粒子的注入。此外，该设备包括控制器，被配置为接收输入数据，并处理输入数据以至少通过在台的平面和散料的底部区之间的界面区来增大和/或减小散料的表面区的温度值。

[0011] 在另一具体实施例中，本发明提供了一种设置用于制造一个或多个厚膜的散料的设备。该设备包括台，其包括用于支撑散料的平面。散料包括平坦化的表面区、平坦化的末端区、和具有从表面区到末端区的长度的侧面区。该设备还包括机械夹具，其用于将散料的平坦化的末端区与台的平面连接起来，以使表面区和从表面区开始的侧面区的至少70％长度基本上暴露并能够使其解理，以在没有夹具干涉的情况下制造一个或多个厚膜。

[0012] 在另一个具体实施例中。本发明提供了一种用于在从散料中解理多个自支撑厚膜的处理期间进行温度控制的方法。该方法包括提供用于进行解理的散料。该散料包括表面区、底部区、具有从表面区到底部区的长度的侧面区。另外，该方法还包括利用机械夹具固定散料，该机械夹具用于通过密封部将散料的底部区与台的平面连接起来以形成具有底部区和平面之间的高度的腔。平面包括多个气体通道，其允许将具有可调节气压的气体填充到腔中。该方法还包括检测散料的状态以生成输入数据。该输入数据包括在表面区和底部区处以及在表面区和底部区之间的散料的长度的温度信息。此外，该方法包括通过至少处理输入数据，并执行利用离子轰击来加热表面区、进行辐射以加热表面区、和在底部区和台之间进行气辅传导(gas-assisted conduction)中的至少一个或多个的控制方案来维持表面区温度。

[0013] 在另一个具体实施例中，本发明提供了一种用于处理用于厚膜传递的半导体材料的方法。该方法包括将散状半导体材料设置到台的平面上。该散状半导体材料包括表面区、侧面区、和底部区。侧面区、底部区、和表面区供了具有限定在底部区和表面区之间的长度的材料容量。底部区连接至台的平面。另外，该方法包括利用机械夹具来固定散料，该机械夹具用于将散料的底部表面连接至台的平面，以使散料与平面物理接触，从而使得在散料的表面区基本上暴露的同时热能在散料和台的平面之间传递。此外，该方法还包括表面区基本上暴露并通过机械夹具被保持在台的平面上的同时对散料的表面区进行处理。

[0014] 在另一个实施例中，本发明提供了一种用于从散料中逐渐解理自支撑厚膜的方法。该方法包括利用机械夹具将散料固定在台上。该散料具有表面区、侧面区、和底部区。表面区与侧面区相连并定位于从侧面区开始的约90度角处，以限定容量。机械夹具用于与散料的底部区和/或侧面区相连接，从而底部区牢固地与台连接。另外，该方法还包括表面区基本上不受来自表面区法向上的任何物理干扰(physical interference)。该方法还包括在表面区基本上不受来自表面区处理的任何物理干扰的同时至少对表面区进行处理。此外，该方法包括在表面区处理期间选择性地维持表面区的温度。

[0015] 根据特定实施例，可以通过衬板或对接板热接触并机械接触与表面区相对的散料的底部区。可以利用粘合剂或其他技术将散料固定于这种衬板上，而该板的相反面放置在温控台上。衬板的特定实施例也能够允许夹持安置。在这样的实施例中，利用夹持安置的衬板排除了直接夹持散料的需要，并通过使将解理的散料更接近于底部区来提高散料的利用率。

[0016] 使用根据本发明实施例的衬板还可以期望地放宽对于散料平坦化的公差，从而降低成本。例如，在特定条件下，锭的底部可以稍微不平。然而，这种不平坦可以通过在衬板和基座之间的附件来弥补。具体地，衬板可以具有引脚或底座以有助于锭与其对齐。

[0017] 在具体实施例中，与散料接触的衬板一侧可以具有凹陷区，其被配置为接收容纳密封元件的一部分。例如，这种密封元件可以是由适合的材料(例如，由DuPont TMPerformance Elastomers L.L.C.提供的Kalrez )制成的O型环，其布置在衬板的边缘区附近内。在具体实施例中，可以在边缘区的内部区中涂敷粘合剂，同时O型环密封并保持内部区中的粘合剂材料。

[0018] 根据具体实施例，可以在衬板和散料之间提供导电性。底座引脚(seating pin)或其他类型的连接装置可以在空间上布置在限定在O型环内的内部区中或在缺少O型环的卡盘的具体实施例的内部区中。这种底座引脚可以使散料电连接且机械连接至适配器。

[0019] 利用本发明的实施例，通过现有技术可以实现许多优点。具体地，本发明的实施例使用节省成本的线性加速器装置和用于为层传输技术提供高能量注入处理的方法。这种线性加速器装置可以包括但不限于漂移管技术、射线四极(通常称为RFO)、或它们的结合(例如，与漂移管直线加速器或RFI(RF聚焦交叉指型)线性加速器相结合的RFO)、和其他适合的技术。线性加速器的实例可以在通常所分配的第60/864584号美国临时申请中找到，其全部用途结合于此作为参考。在优选实施例中，本方法和装置形成由施主衬底(donor substrate)中的解理面(cleave plane)限定的可传热材料的厚度。可以进一步处理可传热材料的厚度，以为诸如光电装置、3DMEMS或集成电路、IC组件、半导体装置、它们的结合等的应用提供高质量的半导体材料。除此之外，在优选实施例中，本方法还提供了用于高效光电池的单晶硅。在优选实施例中，本发明和结构使用低初始剂量的高能粒子，从而节省了处理成本且高效。另外，本方法和结构允许制造大面积衬底。可以发现，本发明可以应用于制造期望的形状因数(例如，对于多晶硅板，面积尺寸从15cm×15cm至1m×1m以上，厚度为50μm-200μm)的薄硅材料板。在可选的优选实施例中，根据本发明的实施例可以提供种子层，其可以进一步提供用于进行异质结构外延处理的层。除此之外，异质结构外延处理还可用于形成薄多结光电池。仅作为实例，可以将GaAs和GaInP层异质外延地沉积到锗种子层上，该锗种子层是利用根据本发明实施例的注入处理形成的传递层。在具体实施例中，可以将本方法顺序地应用于使多个薄片从单个锭(例如，硅晶锭)中解理。即，可以根据具体实施例重复本方法，以顺序地解理薄片(类似于从一块面包中切多片面包)。在优选实施例中，本发明提供了出于机械和热量的目的夹持散状硅碇的夹持和/或保持装置。当然，还可以存在其他改进、修改、和变化。

[0020] 以下，可以通过本说明书更详细地描述这些或其他优点。附图说明

[0021] 图1示出了根据本发明实施例的用于对厚膜材料的制造进行温度控制的设备的简图。

[0022] 图1A示出了根据本发明实施例的包括在图1的设备中的控制器的简图。

[0023] 图1B示出了根据本发明实施例的包括在图1A的控制器中的计算机系统中的子系统的更详细示图。

[0024] 图2A示出了根据本发明实施例的通过机械夹具经由在侧面区处的凹槽而保持在台上的散料的简化截面图。

[0025] 图2B示出了根据本发明实施例的通过机械夹具夹持的具有环形横截面形状的散料的简化俯视图。

[0026] 图2C示出了根据本发明另一实施例的通过机械夹具夹持的具有六边形横截面形状的散料的简化俯视图。

[0027] 图2D示出了根据本发明另一实施例的通过机械夹具经由在底部区处的锁定结构(lock structure)夹持的散料的简化截面图。

[0028] 图2E示出了根据本发明实施例的在没有凹槽的情况下通过直接在侧面区处的机械夹具保持在台上的散料的简化截面图。

[0029] 图2F示出了根据本发明实施例的在没有凹槽的情况下通过直接在侧面区处的机械夹具夹持的图2E的散料的简化俯视图。

[0030] 图3示出了根据本发明实施例的具有闭环凹槽(close-loopedgroove)的散料的底部区的简图。

[0031] 图4示出了根据本发明实施例的利用在散料和台之间填充又气体的密封腔，通过夹具而被保持在具有台上的散料的简化截面图。

[0032] 图5示出了根据本发明实施例的在注入和解理处理期间进行温度控制的方法的简化流程图。

[0033] 图6-11是示出了根据本发明实施例的在温度控制下从散料中解理自支撑膜的方法的简图。

[0034] 图12示出了根据本发明实施例从散料中去除的多个自支撑厚膜的简图。

[0035] 图13A-E示出了本发明实施例采用的将散料固定在温控台的各种方法。

具体实施方式

[0036] 本发明大体上涉及包括用于制造材料的方法和设备的技术。更具体地，本方法和设备包括用于从散料(例如，硅锭)中解理出自支撑厚膜的温度控制。这种自支撑厚膜被用作诸如太阳能电池(solarcell)的光电材料。然而，应当了解，根据本发明的实施例具有更宽的应用范围；其也可以应用于其他类型的应用，例如，用于集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、制动器、集成电路、半导体衬底制造、生物和生物医学器件等的三维封装。

[0037] 如本文中所使用的，术语“散料”可以是指自支撑的单晶硅或多晶硅材料的主同质(predominantly homogenous)片，例如，单晶硅锭或其一部分。可选地，针对本专利申请，术语“散料”也可以是指与一个或多个附加元件(例如，上述的各种衬板的实施例，以及用于将这种衬板固定于主同质单晶或多晶硅材料的任何O型环或其他元件)相结合的主同质单晶或多晶硅材料。

[0038] 可以利用处于MeV能级的离子物种的注入使厚度为15μm或以上的半导体材料的自支撑厚膜从散料中解理出来。在一个实施例中，解理涉及在较低的第一温度下注入离子以产生解理区，然后在较高第二的温度下注入离子以提高解理区中的应力。以这种方式解理散料基本上减少了传统上由于刮板的切口或电线切割而损失的半导体材料的量。所得到的诸如单晶硅的半导体材料解理出来的自支撑厚膜尤其适于聚集太阳能。

[0039] 为了以下的公开，“自支撑厚膜”被定义为可以保持其结构完整性(即，没有破裂或断裂)，且不与诸如柄或传热衬底(transfersubstrate)的支撑元件相接触和/或不需要来自支撑元件的机械支撑的材料膜。通常，薄膜(例如，具有5-10μm以及更薄的厚度的硅膜)不能被处理而不破裂。通常，利用支持结构来处理这种薄膜，这也将需要首先产生薄膜。可以通过使用支撑来使对较厚的膜(例如，具有15-50μm的厚度的硅膜)的处理更容易，但是这种支撑不是必须的。因此，本发明的实施例涉及制造具有大于15μm的厚度的硅的自支撑厚膜。

[0040] 为了确保通过可控解理处理从通过离子注入产生的解理区中成功地去除厚度不大于150μm的自支撑厚膜，根据具体实施例，很好控制温度的散料将是可期望的。具体地，可以通过在注入和解理处理期间平衡一个或多个热源和/或热功率的散热器(sink)来实现最佳温度控制。以下，可以通过本说明书更具体地发现温度控制的其他细节。

[0041] 根据具体实施例，大多数所涉及的热功率管理是CW(稳态)热功率。CW功率通量源(power flux source)和/或散热器可以是以下中的一个或多个：(i)温控台，具有通过高导热背部接触与散料适当地连接的平面，即，通过气体层界面区加热或冷却；(ii)通过迫使电流流过散料容量的IR热源(例如，电磁感应热源)；(iii)用于从上方对表面进行加热的泛光灯或其他适当的CW辐射源，以及上述的任意结合。当然，本领域普通技术人员应当了解其他改变、变更、和选择。

[0042] 在具体实施例中，这些CW源或散热器的目的是尽可能精确且快速地设定所期望的散料的处理区的范围，其被限定为解理区和覆盖在解理区上的硅层。可以经由电子控制器，通过表面温度测量值和块温度测量值来控制这些热源或散热器，以实现处理区的期望的全部热特性。当然，本领域的普通技术人员应当了解其他改变、变更、和选择。

[0043] 根据具体实施例，附加热能源本身就是注入照射。传统的注入装置可以将50-100kW的束功率传送到在照射下的表面。这是在通过注入形成解理区期间的实际附加热源。解理区基本上包括在位于所注入的高能量离子粒子的射程末端(EOR)附近的解理平面周围的相对集中的缺陷网络(defect network)，其中，所注入的微粒的动能被部分地转换为热能。该热源可以是扫描CW或脉冲热源，并且可以通过调节注入装置的占空因数以及粒子束的扫描速率和空间特性来部分地控制该热源。扩束可以通过快速电磁扫描而发生，但是也可以通过在光束自然地扩展到期望的束径和期望的束流空间分布的距离上偏移光束而发生。

[0044] 如果功率通量非常低，则所扩展的光束可以发生慢扫描(甚至是不扫描)，而不会造成表面过热。例如，通过诸如5cm的较小束径(其用于生成在每片瓦(tile)内的图样化2
注入剂量特性)时，功率通量可以高达5-10kw/cm，并且可能需要磁性或静电快速扫描以避免表面过热。根据具体实施例，注入辐射可以与其他形式的能量相结合。

[0045] 此外，在具体实施例中，还可以通过脉冲热功率通量来处理表面。这里，脉冲功率被定义为根据特定材料和要解理的膜厚度在热时间常数内传递的热脉冲。例如，对于典型的硅处理区，估计时间常数为20-50μsec。较长的热脉冲是准CW，并且可以被组合为上述CW源。脉冲的功率通量源可以包括具有在30-50μsec内沉积的能量的闪光灯和脉冲激光源。通过这些源传递的热脉冲可以将处理区瞬间加热到散料的熔点，并且如果期望加热到超过熔点。

[0046] 通过该处理而预期的效果是将剪应力施加到结构下的解理区上，以降低其解理能量(cleave energy，解理能)。更具体地，由于在注入EOR内的导热率显著降低，所以在解理面上产生了温差。温差引起了解理面上的材料之间的CTE(热膨胀系数)不匹配和相应的剪应力。该剪应力增加到由于将散料保持在台上的方式而存在的内部应力和诸如硅位移应力的其他应力。

[0047] 应力是平面应力(沿解理面的X-Y表面)，并且如果加热解理面，则应力是压缩平面应力。这些会依次产生在数量上以与平面应力与泊松比(对于硅约为0.27)的乘积成比例的平面外拉伸应力。该应力值可以通过以下关系式来量化：

[0048] σ＝EαΔT

[0049] 其中，σ是在解理区上的应力，E是杨氏模量，α是热膨胀系数，以及ΔT是在解2
理面上的温差。假定热功率通量密度是以Watts/cm 为单位的Pa，则得到以下关系式：

[0050] Pa＝κcr ΔT/tcr

[0051] 其中，κcr是解理区的有效导热率，以及tcr是解理区的厚度。整个膜上的应力可以进一步由以下等式表示：

[0052] σ＝(Eαtcr Paβ)/κbulk

[0053] 其中，β是解理区相对于散料的传导率换算因数。因此，应力值由功率通量Pa决定，并根据取决于注入EOR损坏的量的因数β随着导热率的降低而增大。例如，如果散料是硅碇，则β可以为达到100。

[0054] 通过利用脉冲功率通量来增大剪应力的处理可以有效地降低为了使解理处理容易并同时有助于退火整体辐照缺陷所需的注入剂量。当然，还可以存在其他变化、修改、和替换。

[0055] 图1示出了根据本发明实施例的用于制造厚膜材料的温度控制的设备简图。该图仅为一个实例，其不应对权利要求书的范围造成不当的限制。本领域的普通技术人员应当了解许多变化、替换、和修改。如图1所示，用于进行温度控制的设备100包括台120、机械夹具130、注入装置140、传感器装置150、和控制器120。具有平面122的台120用于支撑将要解理的散料110。通过包括由解理面115和未分离的硅材料的覆盖膜113构成的处理区的表面区112、侧面区117、底部区118、从表面区112到底部区118所限定的长度111来特征化将要注入和解理的散料110。下面，将更详细地描述关于用于进行处理的散料。

[0056] 如图1所示，在一个实施例中，利用机械夹具130使台120的平面122与散料110的底部区118接合。以表面区112以及具有散料的至少70％的长度111(从表面区开始)的侧面区117基本上被露出并将被解理以制造一个或多个自支撑厚膜的方式，可去除地应用通过机械夹具130执行的夹持。例如，图2A-2F中示出了根据特定实施例的可选夹持机构。在一个实施例中，可以将台120和机械夹具130安装在可沿与台的平面122平行的平面二维移动的底板170上。在另一实施例中，台120用于对作为CW功率通量源或散热器中的一个的散料进行温度控制。通过经由在散料的底部区和台的平面之间的高导热率的气层界面区来加热或冷却散料的接合的底部区，在解理处理期间，台120能够改变来自表面区112的热通量148。可选地，可以通过迫使电流经由机械夹具130流过散料110容量来在设备100中应用感应焦耳热源。

[0057] 参照图1，注入装置140用于通过利用特定功率通量145将处于MeV能级的离子粒子导入散料的表面区112来形成解理区115。由于来自于表面区上的粒子轰击的功率通量145，注入装置140也可以用于通过调节注入装置140的占空因数来调整粒子功率通量从而进行温度控制。在一个实施例中，位于表面区之上的诸如泛光灯的一个或多个CW热源141可用于提供附加可控辐射热通量146。在另一个实施例中，一个或多个脉冲功率通量源142也可以用于向表面区112或者特别地向(从侧面区开始的)解理区提供脉冲热通量以增大剪应力，从而有助于解理。

[0058] 传感器装置150包括多个传感器，其包括温度传感器、位置传感器、压力传感器、和表面粗糙度探测器。在散料110被保持在台120上的给定时间点处和注入处理期间，传感器装置150能够收集与散料110在该时间点处的状态相关的所有传感器数据。通过传感器装置记录的传感器数据被传送至控制器160，并被用作输入数据用来执行反馈/前馈控制方案，以确定控制例程，从而将散料的温度改变和维持到注入和随后的解理处理的配方值(recipe value)。

[0059] 图1A是根据本发明实施例的用于检查和执行图1的设备100的操作以及信息处理的控制器160的简图。该示图仅为一个实例，其不应构成对本文中权利要求书的范围的不当限制。本领域的普通技术人员能够了解许多其他修改、替换、和变化。如图所示，控制器160包括链接计算机系统170的控制电子装置(electronics)162。

[0060] 在具体实施例中，控制器160使用控制电子装置162来执行多种控制功能。例如，控制电子装置162包括多个电子板或功能卡。这些板中的每一个可以分别用于连接台120以执行温度控制功能，用于连接机械夹具130以夹持或松开散料110，用于连接用于进行注入处理的注入装置140，用于连接用于温度控制和助于解理处理的外部热源(例如，CW源和脉冲源142)，以及用于连接传感器装置150以接收与散料的当前状态相关的信息并生成用于计算机系统170的输入数据包。

[0061] 在另一个具体实施例中，计算机系统179可以是运行MicrosoftCorporation的TM TMWindows NT 操作系统的基于Pentium 级的计算机。然而，在不背离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员容易地将计算机系统用于其他操作系统和体系结构。图1B是根据本发明实施例的图1A的计算机系统170中的硬件元件的更详细示图。该示图仅为一个实例，其不应构成对本文中权利要求书的范围的不当限定。如图所示，计算机系统170被配置为经由I/O控制器171接收输入传感器数据，对在中央处理器173中运行的多个控制码
165、166、167中的数据进行处理，以及经由I/O控制器171将输出控制命令/指令发送回控制电子装置。多个控制码中的每一个都是针对设备100中的特定控制功能而特别设计的。
例如，在计算机系统170中运行的控制码165可以是用于控制注入装置以将特定高能离子粒子束传送到散料的表面区的操作的程序。在另一实例中，控制码166可以是用于生成将由机械夹具执行的采样处理过程或者将由传感器装置执行的采样监控方案的程序。在又一实施例中，控制码167可以是能够生成用于冷却台的输出命令、增加穿过夹具的焦耳热、和/或通过外部热源来加热表面等的程序。当然，本领域的普通技术人员会了解许多其他修改、替换、和变化。

[0062] 在具体实施例中，计算机系统170的所有硬件元件或子系统通过系统总线175互连。例如，示出了诸如打印机174、键盘178、硬盘179、连接至显示适配器176A的监视器176等的子系统。可以通过诸如串口177的在本领域中已知的多种装置将连接至I/O控制器177的外围设备和输入/输出(I/O)装置连接至计算机系统。例如，串口177可用于将计算机系统连接至诸如调制解调器的外部接口180，该外部接口依次连接至诸如互联网的广域网、鼠标输入装置、或扫描仪。经由系统总线175的互连使中央处理器173能够与每个子系统进行通信，并使中央处理器173能够控制来自系统存储器172或硬盘179的指令的执行、以及子系统之间信息的交换。本领域普通技术人员已经可以实现子系统和互连的其他配置。系统存储器和硬盘是用于存储计算机程序的有形介质(tangible media)的实例，其他类型的有形介质包括软盘、移动硬盘、诸如CD-ROM和条码的光学存储介质、以及诸如闪存、只读存储器(ROM)、和电池备份储器的半导体存储器。

[0063] 虽然根据特定的硬件特征示出了以上部分，但是应当了解，可存在许多变化、替换、和修改。例如，可以进一步结合或分离任何硬件特征。还可以通过软件或者硬件和软件的结合部分地实现这些特征。可以根据应用进一步集成硬件和软件，或者不集成它们。以下，根据附图描述了本发明的功能的细节。

[0064] 图2A和图2B示出了根据本发明实施例的通过机械夹具经由在侧面区处的凹槽将散料保持在台上的简图。这些仅为实例，其不应构成对权利要求书的范围的不当限制。本领域普通技术人员应当了解许多变化、替换、和修改。可以对块装材料110A进行预处理，除了平坦化表面区以利于注入之外，还使其具有在被配置为容纳机械夹具的侧面区上的一个或多个凹槽，从而散料可以牢固地保持在台120A上。图2A示出了围绕在外围侧面区的凹槽和适用于这些凹槽以夹持散料的机械夹具的两个夹臂(clamping arm)的简化侧面图。图2B示出了被夹持的与图2A所示相同的散料的简化俯视图，其中，假定散料具有环形截面形状。

[0065] 根据本发明的实施例，可以制备具有从表面区到底部区的期望长度的散料110A。如图2A所示，在具体实施例中，被机械夹具131夹持的散料110A的位置处于(在侧面区上)底部区附近，使得包括表面区和从表面区开始的至少70％长度的侧面区的散料的至少
70％部分基本上暴露，从而在没有机械夹具介入的情况下进行处理。散料的长度取决于材料类型，其可以根据特定设备100处理热质量和热传输的能力来预先确定。根据膜厚度，散料的长度也确定了可以从解理散料中得到多少自支撑膜。

[0066] 例如，散料110A可以是单晶硅锭，其展示出5cm的原始长度并具有15cm×15cm的横向尺寸(具有约3kg的重量)。在一个实施例中，利用根据本发明实施例的技术使这种锭的大约70％的长度解理，可以产生350个自支撑单晶硅膜，其中的每一个均具有100μm的2
厚度。当1m 表示约45个具有15cm×15cm的面积的瓦片表面时，可以从这种5cm厚的锭的
2
70％中产生约7.8m 表面积的硅。在另一个实施例中，解理这种锭的约70％的长度可以产
2
生1750个厚度为20μm自支撑单晶硅膜。在该实施例中，可以从5cm厚的锭中产生约39m的硅。没有被解理以形成单晶硅的剩余30％的锭可以被重新熔化，作为高纯度原料来产生用于进行解理的新锭。

[0067] 在具体实施例中，散料110可以是单晶硅锭、多晶硅铸片(castwafer)、瓦片、或衬底、硅锗片、锗晶片、III/V族材料、II/VI族材料、氮化镓、或碳化硅的衬底等。在具体实施例中，散料可以是感光材料。根据诸如效率、成本、和诸如杂质吸除的后处理的因素之间找到的折衷，单晶硅可以是来自太阳、半导体或金属等级纯度的。

[0068] 可以将任何单晶材料切割成提供诸如容易解理、优选的装置操作等优点的特定取向。例如，硅太阳能电池可以被切割为主要具有(100)、(110)、或(111)表面取向，以得到这种类型的自支撑衬底。当然，还可以制备具有从主晶体取向故意误切下来的取向面的原料。当然，可存在其他变化、修改、和替换。

[0069] 根据本发明的实施例，可以基于制造装备和材料类型来制备具有多个截面形状的散料110。因此，可以改变或改进提供有可以在没有机械夹具介入的情况下对散料的表面区和大部分侧面区进行处理，并可以在特定解理处理结束之后将剩余的散料从夹具中放开的夹持装备或机构。例如，图2B中示出了用于环形截面形状的，位于相反侧上的两个弧形夹臂。在另一个实施例中，具有较长长度的单个弧形夹臂可以用于可移除的夹持处理。在又一实施例中，具有较短长度和可选位置的三个或多个弧形夹臂可以用于可移除的夹持处理。图2C示出了通过在侧面区上用于凹槽103的三个矩形夹臂132可移除地夹持的具有六边形截面形状的散料110B的简化俯视图。图2D示出了通过机械夹具133经由来自底部区的锁紧结构104保持在台120B上的散料110C的简化侧面图。夹臂133被用作类似钥匙的结构。夹臂133可被插入到嵌入在散料110C的底部区中的锁结构中，然后将其旋转一定角度至某一位置以牢固地保持或锁紧散料110C。当然，可以存在其他变化、修改、和替换。

[0070] 仍根据本发明的实施例，如图2E和图2F所示，可以通过两个或多个C形状的机械夹具134将没有任何经过预处理的凹槽或凹口的、处于其自然形状的诸如硅碇的散料110D夹住，并将其固定在台120C的顶部上。夹持位置位于侧面区的下半部分(例如，在从底部区开始测量的长度的至少30％以下)。在一个实施例中，夹持位置允许散料110D的100％表面区暴露并可用于处理而不存在来自夹具的物理干涉。具体地，100％利用用于从光电器件的硅锭中解理厚膜的表面区是本发明提供的优点之一。另外，在另一实施例中，夹固机构旨在允许解理处理可以逐渐地执行从散料的容量的大部分(例如，至少70％)中逐一地去除厚膜。在又一实施例中，夹持机构利用摩擦力来将散料110D保持在台120C上。机械夹具的热膨胀系数可以大于散料的热膨胀系数，从而当在提高的温度下对散料进行处理或使特定热通量通过夹具流向散料时，热膨胀使得夹持的更加夹持。在又一实施例中，夹臂适用于匹配将夹持的散料的形状并且在表面上具有不锋利的突起，从而使得与散料接合的夹具不会由于所施加的强夹紧力而在侧部区上引起破裂。

[0071] 根据本发明的实施例，可以对散料进行预处理，以使其具有注入处理从此处开始的平坦化的表面区和台可以与其相接合的平滑底部区。如图3所示，可以另外对散料进行处理，以使其具有位于平滑底部区118中的闭环凹槽114。作为实例，假定散料具有正方形截面形状。在一个实施例中，凹槽114也基本上是正方形的并位于沿底部区118附近处。在另一实施例中，当散料110E的底部区118与台的平坦表面接合(在机械夹具的辅助下)时凹槽能够容纳适合的气密密封。在散料110E的底部区和台之间的气密密封和两个接合的平坦表面产生了可以填充有气层的腔。依赖于气压，气层可以极大地提高散料的底部区和台之间的导热率。在又一实施例中，一旦将特定的供气组件安装到台上，这种气体辅助导热就会有效地将用于通过接合其底部区来支撑散料的台变成温控台。

[0072] 图4示出了根据本发明实施例的夹持在温控台上的散料的简化截面图。该图仅为实例，其不应构成对权利要求书的范围的不当限定。本领域的普通技术人员能够了解许多变化、替换、和修改。如图4所示，通过将其底部区118保持在具有插入底部区118和台120的表面121之间的气密密封122的台120的表面121上来夹住散料110。用于底部区118中的第一凹槽114的气密密封122分别与作为其顶部和底部边界的底部区118和台120的表面121一起产生腔124。台120还包括在由气密密封122封闭的腔124内的表面121上的多个气体通道126。多个气体通道126通过具有进气口128和出气口129的供气组件(未示出)连接到在台120的主体内，从而具有一定的气压的气体127可以填充到腔124中。

[0073] 在一个实施例中，对于6英寸的硅晶片，气密密封122可以将腔124中的高气压牢固地维持到20托；或者对于具有约3 kg总量的厚硅碇或瓦片，气密密封122可以将腔124-7中的高气压牢固地维持到300托。在腔的外面，在约5×10 托的气压下散料可以位于真空系统中。在一个实例中，气密密封122可以是O型环。在另一个实例中，气密密封122可以是由电介质材料或金属材料制成的凸缘(flange)。气体127可以是低温气体、室温气体或热气体。在一个实例中，气体127可以是氦气、氢气、氩气、或氮气中的至少一种气体。

[0074] 在一个实施例中，用于散料侧面区的第二凹槽116的机械夹具130被应用于夹紧台120的表面121上的散料110。在另一实施例中，夹具130可以包括具有设计强度的金属主体，以安全地支撑具有特定重量的散料加上由于在具有真空环境的表面区和腔内反压下的底部区之间的压力差而造成的向上力。例如，在腔124中使用200 Torr冷却气体反压力，而在真空环境中经过注入的散料将产生大约135lbs的压力。从而，夹具130将必须支撑散料来对抗该向上力。

[0075] 在特定实施例中，台120是包含嵌入有金属板电极的绝缘体的静电卡盘。通过在金属板电极和散料110之间施加电压，可以产生静电力，以将散料吸附到台120上。在一个实施例中，当在腔124内测量到不大于大约25Torr的较小反压力时，如果使用这种静电卡盘，则可去除或替换机械夹具130。可选地，可以使用夹具130和具有静电卡盘的台。此外，机械夹具130和台120安装在底板基座190上。底板基座本身能够在与平面121平行的X-Y平面上二维地移动。当然，可以存在其它变更、修改和替换。

[0076] 在另一实施例中，根据本发明的实施例，夹具130也可以用作电接触装置，以将IR2
热添加到散料110。由于通过散料的电流I，所以电源138产生焦耳热。加热等级等于IR，其中，R是基于其电阻率、材料尺寸和接触几何形状的材料的电阻。

[0077] 调整穿过集成在台120中的气体供应组件(未示出)的气体127的压力，可以导致在装置100中进行温度控制。气体分子在底部区118和台的平面121之间反弹，从而在表面之间传递能量。对于特定散料、台绝缘材料、和气体类型，气体表面调节系数基本上是固定的。对于固定高度的腔124，气体压力越大，那么导热率越高或者在表面118和121之间的能量传递越好。对于小于10微米的腔高度，即使具有较高气压(例如，200Torr)，但气体平均自由路径通常仍可以大于腔高度。因此，平均来说，气体分子可以在表面118和121之间移动而没有碰撞，以使得能量没有返回到其来自的表面，从而实现表面118和121之间最有效的热传递。在气压随控制的速率降低时，热传递在控制下减弱，另外，可以通过控制来改变表面区112上的温度。

[0078] 此外，调整所供应气体的温度可以实现温度控制。在一个实例中，气体127可被预冷却到较低温度以加速冷却，提供从散料的表面区到底部区的向下热传递148。可选地，气体127可被预热，以使冷却减慢，或者甚至形成从台到表面区的向上热流148。基本上，包括气体层界面区的台120可被用作具有对散料的CW功率流控制的稳态温控装置。可在注入处理和/或其它相似处理期间提供这种温度控制。

[0079] 在另一实施例中，通过表面调节系数限制气体辅助传导，该表面调节系数取决于散料底部区和台表面的物理特性。当气体分子在腔内具有完全的随机速率时，并且当在腔的边界之间分子弹性地弹回而没有能量传递时，表面调节系数为1。在一个实例中，对于硅表面和由绝缘材料制成的台表面，该系数的标准值为大约0.3。

[0080] 期望的导热系数取决于正被处理的散料的热容量或热质量。通过相对重的散料以及在台与散料的底部区之间薄的腔高度，诸如He或H2的高压轻气体可以是用于实现高导热率的最好选择。此外，调整气压可能是控制两个固体表面之间热传递的非常有效的方法。例如，对于大约5cm厚的硅锭，可以利用高为几微米且气压为不大于300Torr的薄腔来实现
4 -2 -1
不大于4×10Wm K 的导热率。如果散料具有对抗向上弯曲的足够机械刚性，则可以仅维持通过相对较高的反压力实现的高导热率。对于在一些实施例中描述的5cm厚度的锭材料(并且，即使在重复膜剥离之后其变薄到1.5cm的最终厚度)，满足该要求。

[0081] 在上述实例中，散料的底部也可通过永久或暂时固定到其上的衬板(adapter plate)连接到温控面。如下面更详细地描述，衬板将允许散料机械和热连接到传热板。当然，存在其它变更、修改、和替换。

[0082] 重新参照图1，设备100的另一组件是注入装置140。注入装置140可以是能够产生具有高能量(例如，2MeV或更高)的离子粒子的独立运行的线性加速器。线性加速器可以包括但不限于，多个射频四极场(RFQ)元件和/或多个漂移管直线加速器(DTL)单元和/或其组合。这些元件可以从微波ECR离子源中提取离子束，然后将离子限制并加速到最终期望的能量级。离子物种可以包括氢、氘、或氦类。粒子束电流可以上至20mA，并且束尺寸可通过安装在注入装置140的出口孔处的扩束器(未示出)扩展到大约50cm。

[0083] 当然，本领域任意技术人员可以理解注入装置配置的多种替换、变更、和修改。例如，当前已通过使用来自诸如California，Pleasanton的Accsys Technology Inc.的公司的可用射频四极场直线加速器(RFQ-Linac)或漂移管直线加速器(DTL)，或者来自Linac System，LLC of Albuquerque，NM 87109的RF-Focused Interdigitated(RFI)技术等，该注入装置已经最近可用。

[0084] 重新参照图1，装置100利用注入装置140，以将MeV级的离子粒子束引入到散料110的表面区112。根据本发明的实施例，将离子粒子注入到散料中，将使解理处理能够形成自支撑膜。能量部分地取决于注入物种和条件。对于特定能量级的粒子束有效地，粒子可以下降到表面区112之下的特定径程末端(EOR)深度，并沿着平面在大约EOR深度处增加压力或降低断裂能。这些粒子降低了在EOR深度周围的散料的断裂能等级，以形成解理区115或解理平面。这使得可以沿着形成的解理区进行受控解理，以从散料110中去除覆盖膜113。

[0085] 根据本发明的实施例，在使散料所有内部位置处的能量状态都不足以在散料中开始非可逆断裂(即，分离或解理)的条件下，可以发生离子注入。然而，应当注意，该注入通常在散料中产生特定量的缺陷(例如，小缺点)，该缺陷通常可以通过随后热处理(例如，热退火或快速热退火)至少部分地修补。

[0086] 离子注入的相关结果可以是由于碰撞离子粒子的功率通量145而造成的在表面区周围和其下的散料的温度增加。来自设备100的注入装置140中的输出束可以是直径大约为几毫米。注入应用可以要求将束径扩展到大约几百毫米或更大，以使轰击到目标表面上的功率通量变得非常大，并可能过热或破损目标表面。对于具体的粒子束特性(包括特定的射束流和射束大小)，也可以通过设置注入装置140的适当占空因数(例如，0％是关闭、50％是半功率、并且100％是全功率)来限制由于粒子功率通量145而导致的温度上升。在另一实施例中，移动衬板170允许射束以特定速率扫面整个表面区112，以便时间平均地通过通量145进行离子束加热。可选地，单独地或者结合衬板移动的射束扫描将允许射束移动过目标表面的整个表面，并且也允许射束通量的时间平均。

[0087] 离子注入和相关的温度上升都可以限制的热处理速率，该热处理可以用于在注入和原地注入退火处理期间的温度控制。例如，在先描述的设备100将能够控制根据剂量和衬底温度上升而产生的离子注入，以实现适于从散料中去除自支撑膜的期望解理平面。

[0088] 重新参照图1，设备100使用传感器装置150，以收集与散料的当前条件相关的数据。具体地，传感器装置150使用多个传感器来测量或监测散料110的表面特性，其至少包括表面区112和底部区118处的温度值以及表面区112的表面粗糙度。测量和监测可以在注入处理期间连续且动态地进行。传感器装置150将能够动态地生成对于任何特定处理时间点的一组输入数据。

[0089] 传感器装置150可以包括至少五种不同类型的传感器。第一种类型是温度传感器，其可以设置在表面区112和底部区118附近，并且能够测量散料110的表面区和底部区处的温度。温度传感器可被用作控制器160的直接输入数据，以执行编程的温控例程。附加温度传感器可设置在气体入口128处，以测量供应气体127的温度。在第二凹槽116处将需要多个温度传感器来测量温度，以提供用于穿过夹具130导热和导电的输入。在一个实例中，温度传感器可以包括诸如热电耦的接触类型。在另一实例中，可以使用诸如光学高温计的非接触型温度传感器。

[0090] 传感器的第二种类型是压力传感器，其可被设置在腔124内的底部区118附近，以测量其中供应气体127的压力。压力传感器可以感测利用气体辅助传导引导底部区118的温度改变的供应气体的压力。诸如压力计的这种压力传感器应该对于大压力范围是可操作的，或多个压力计可用于实现期望的压力测量范围。

[0091] 第三种类型的传感器可以在每个厚膜已通过解理处理分离之后，跟踪散料110的重量。散料的重量与特定热容量和热阻相对应，其利用温控台120依次确定用于优化温度控制的热时间常数。在每次前进的解理处理之后，可选地或与重量传感器一起，位置传感器或“瓦计数器(tile-counter)”可以被使用，其监测散料的表面高度改变或当前长度111，测量当前表面区112到底部区118。

[0092] 第四种类型的传感器是表面粗糙度或缺陷检查传感器，其在每次解理处理之后提供表面条件的信息。基于该输入数据，设备100可以确定锭或瓦表面是否需要被重打磨、抛光或修复。在一个实施例中，这种类型的传感器将可以测量由特定解理故障引起的平面差或粒子刺突(particle spike)。该信息允许设备100对其继续全部生产的能力进行自诊断，以保证产生的自支持厚膜的一般质量。

[0093] 第五种类型传感器可以包括声传感器或光传感器，以获取处理区的预解理信息，从而可以监测解理功率通量如何沿着解理平面诱导微小裂纹开始传播。此外，通过传感器检测的声音发射，作为由于局部应力消除而材料中产生瞬时弹性波，可以用于抑制在解理处理期间激光脉冲能量的上升或下降。该声音传感器通常在100kHz和1MHz范围内的超声波方式工作，但可以下降至1kHz或者上升至100MHz。典型的声传感器包括基于电气、电子、机电、或电磁机构的传感器。可选地，使用光学传感器可以在解理之前或在解理期间感测解理平面的光学改变，以控制根据具体实施例的解理处理的开始和传播。根据实施例，可以利用这些和其它技术的任意组合来发生感测。

[0094] 重新参照图1，设备100还包括控制器160，其可被配置为接收和处理由传感器装置150生成的输入数据。控制器160还连接到并命令注入装置140和温控台120，以动态控制在用于产生多个自支撑厚膜的逐级注入处理期间散料110的温度。在一个实施例中，控制器160被配置为执行动态反馈/前馈控制方案，以确定最佳操作过程。在该控制方案中，处理与包括表面温度、底部温度、散料重量(或长度)、表面粗糙度等的散料的当前条件相关的输入数据。基于注入的预定配方、原地退火、和/或在任意具体时间点处的后续解理，控制器计算最优的控制过程作为输出，其中，给出操作指令以调整注入装置140的占空因数和/或通过调整腔124内供应气体127的反压力和温度利用温控台120来改变底部温度。

[0095] 此外，在一个实例中，控制器160也可以连接到表面区上的一个或多个外部泛光灯热源141，以在处理的情况下向散料的处理区提供额外的CW功率通量146。在另一实施例中，位于表面区上的一个或多个脉冲热源142可进一步提供用于退火的功率通量147或随着快速倾斜率增加表面温度。在一个实施例中，脉冲热源142可以通过在处理区的热时间常数(对于100μm厚自支撑膜的生产过程大约为50微妙)内局部引入能量脉冲来帮助生成有效的解理区115。脉冲热源的一个实例是具有几毫微秒到几十毫微秒或更多的特征2
脉冲宽度的、每cm 传递大约0.1-50焦耳能量的YAG激光脉冲系统。基本的1.06μm YAG线将沉积应用所需的100μm内的大部分激光热能。期望解理区有效地吸收到达那里的剩余红外(IR)辐射，为此局部EOR破损增加了硅IR吸收系数。在整个较低导热率EOR区上的瞬时温度差产生了剪应力，其能够进一步减少解理能或甚至启动解理处理。

[0096] 作为另一个实例，如果激光主要被吸收到解理区中的EOR破损内(其中，光可以沿散料的外围侧部区的所有角度轰击解理区)，则在辐射之后直到对周围材料的热弛豫时，激光脉冲能量都将产生较高等级的应力。解理区的弛豫时间常数将根据注入能量(其确定解理区厚度)和解理区的有效导热率为大约25毫微秒到20毫微秒，或更多。根据本发明的特定实施例，加热表面区包括加热EOR解理区、加热将解理的重叠膜、或者加热这两者。

[0097] 在另一实例中，可以通过在台120的底部附加水冷系统(未示出)和通过将独立的散热片附加到机械夹具130来构成额外冷却，以增强传导。将在以下段说明书中了解，在用于从散料中去除自支撑厚膜的解理处理期间的温控方法的更详细描述。

[0098] 图5示出了根据本发明实施例的在用于从散料中逐步去除自支撑厚膜的解理处理期间的温控方法的简化流程图。该附图仅是一个实例，其不应构成对权利要求范围的不当限制。本领域的任何技术人员都将理解各种替换、变更、和修改。方法200包括下述过程：

[0099] 1.过程210，用于准备散料；

[0100] 2.过程220，用于收集关于散料的当前状态的传感器数据；

[0101] 3.过程230，用于处理传感器数据以确定控制例程和温度设定点；

[0102] 4.过程240，用于执行控制例程以达到设定点；

[0103] 5.过程250，用于在设定点处执行注入和原地退火过程；

[0104] 6.过程260，用于执行解理处理(如果在系统100内)；

[0105] 7.过程270，用于检查剩余散料的长度，如果小于30％，则结束过程；否则，进入下一过程；以及

[0106] 8.过程280，用于检查散料的表面粗糙度；如果满足标准，则返回过程220并继续；否则，返回过程210并继续。

[0107] 上述一系列过程提供了根据本发明实施例的方法。也可以提供其他选择，其中，在没有背离本发明的范围的情况下，添加过程，去除一个或多个过程，或者以不同的顺序设置一个或多个过程。贯穿本说明书可以找到本发明的详细内容，在下文中可以得到更具体地说。

[0108] 参照图5，方法200首先包括步骤210，用于为产生自支撑膜的解理准备散料。根据特定实施例，散料可以包括诸如单晶硅的半导体材料，所示出的是以散状锭的形式的生长的材料。在另一实施例中，散料可以是大片的多晶硅。在具体实施例中，锭材料和/或多晶硅瓦可以是具有长度和基本圆形或多边形截面形状的预处理体。可以预先确定散料的长度，以方便对解理进行温度控制。对于具有均匀密度的散料，长度与其重量相当。例如，对于单晶硅锭，优选的长度为大约5cm，具有大约3kg的重量。

[0109] 在另一具体实施例中，准备用于解理的散料包括使用各种平坦化处理，以使用于产生质量装置准备膜的表面区和用于保持在台上的底部区平滑。在又一具体实施例中，准备散料包括使用更改的大剂量能量离子粒子注入处理(例如，通过设备100中的注入装置140产生的高能粒子)，以使表面粗糙度降低到较低水平。在特定实施例中，准备散料也包括轻微蚀刻表面和/或沉积薄平滑层，以降低表面粗糙度。在其他特定实施例中，准备散料还包括在解理过程之前结合装置制造过程以在表面区上沉积覆盖层/膜(例如，光耦合层、透明导电氧化物、和光阱层)。对于随后的解理，每当膜散料中去除时，都将重新检查表面状况，以确定表面是否需要处理，这将导致下一个过程步骤的不同选择。

[0110] 用于准备散料的方法210的第一处理步骤还包括在散料的底部区形成第一凹槽。在具体实施例中，第一凹槽可以是位于多边形底部的边缘附近的一个闭环凹槽。第一凹槽被设计为在散料的平滑的底部区接合台的平坦表面时适于产生气体层界面的气密密封。另外，在一个实施例中，处理210还包括在散料的外侧区上的在预定位置处形成第二凹槽。第二凹槽的位置通常可被设置在从底部测得的散料长度的30％以下，使得在下一步骤中，适于凹槽的机械夹具可以适当地从侧部区夹持散料，而不妨碍从表面区到散料的不大于70％处逐布执行的注入或解理处理。在一个实例中，第二凹槽可以是围绕在外围侧的单个凹槽。
在另一实例中，可以存在位于散料周围的不同位置处的凹槽组。在另一实例中，处理210可以包括在底部区形成锁紧结构，用于在下一步骤中使具有锁紧结构的机械夹具从底部区将散料牢固地锁定在台上。

[0111] 用于准备散料的方法200的第一处理步骤210还包括通过机械夹具使用作为夹持凹槽的第二凹槽来夹持散料。在一个可选实施例中，可以通过机械夹具从底部区经由锁紧结构牢固地保持散料110。在具体实施例中，如图4所示，散料110通过机械夹具130夹持，并且利用仅独立地通过气密密封122接合到台的平坦表面121的底部区118将其保持在台120上。气密密封122被配置为与第一凹槽114相匹配，以连接底部区118和台表面121，同时在其间产生薄腔124，其中，散料的底部区118和台的平坦表面121分别是顶部和底部边界。与机械夹具相关的气密密封121足够安全来保持由其形成的薄腔124内/外的高压差。在具体实施例中，台120的平坦表面121包含多个气体通道126，以允许填充在腔124内气体127具有适当的压力。气体通常是由集成在台120中的具有入口128和出口129的组件供应的氢气或氦气。气体127可以处于低温或室温。可选地，可以加热气体。

[0112] 重新参照图5，一旦散料被准备并被保持到台表面上，就执行方法的处理步骤220。在该步骤中，通过由传感器装置操作的一个或多个传感器收集与散料的当前状态相关的数据。例如，图1中示出了作为传感器装置150的传感器装置。

[0113] 在一个实施例中，由传感器装置操作的一个或多个传感器包括用于测量表面区的温度Ts和底部区的温度Tb的温度传感器。在另一个实施例中，一个或多个传感器也包括位置传感器，用于在解理处理期间通过检测散料的表面区位置跟踪散料历史记录，其依次提供散料的当前长度或重量信息。在又一实施例中，一个或多个传感器包括压力传感器，用于指示在散料底部区和台表面之间的腔内的压力。一旦在步骤210准备了散料，则在任意给定时间点执行收集传感器数据或执行特定测量，直到最后的解理处理结束(除非特定解理处理标准不满足处理流程停止)。可通过链接的控制器发送并处理收集的传感器数据。例如，控制器160被包括在如图1所示的设备100内。

[0114] 方法200的处理步骤230是使用控制器来处理这些传感器数据，作为温度反馈/前馈控制方案的输入，以基于处理配方将散料的表面温度改变到期望的处理(注入和/或解理)温度。在任意具体时间点处，配方确定表面区处(更具体地，在处理区内)散料的期望处理温度Tp的设定点。然后，在反馈/前馈控制方案中通过控制器接收并处理在该时间点处来自传感器数据的输入数据，以确定最佳例程，来将表面区处的当前温度Ts改变为目标设定点Tp，和/或如期望那样保持该温度。对控制例程进行编程，以保持控制回路稳定地实现最快或至少预定的加热/冷却速率，来以最有效的方式达到处理温度。

[0115] 然后，执行方法200的处理步骤240，以执行所选的控制例程来从给定给定时间点达到设定点。在一个实施例中，用于改变温度的控制例程包括利用多个辐射、对流、和导热传递路径进行加热和冷却操作。例如，如果当前温度Ts低于设定点Tp，则需要加热。在具体实施例中，如图6的简图所示，诸如泛光灯的一个或多个外部辐射源302可以用于利用CS功率通量326从上部加热散料300的表面区301。控制器可通过反馈回路连接到这些外部辐射源以控制灯电流、开/关频率、以及空间属性，来以期望的斜率和均匀性来加热表面。外部照射源也可以包括用于退火的诸如激光脉冲源的脉冲热源303，并且通过脉冲的功率通量327增强对解理区的处理。

[0116] 在另一实施例中，解理处理的一部分包括利用由注入装置产生的高能粒子进行离子注入处理。轰击到表面区301上的高能粒子的功率通量305有助于加热表面区。控制器可被连接到注入装置(例如，设备100中的注入装置140)，以控制占空因数、操作的开/关频率、以及射束大小和粒子束的扫描速率，从而控制注入期间的加热。

[0117] 在又一实施例中，热流306也可以通过热传导从底部区309到达表面区301。支撑台310可用于通过改变底部温度来驱动或控制热传递。在一个实例中，可以通过用于在特定剥离的表面温度处进行后离子注入退火处理的这个路径提供热。

[0118] 在又一实施例中，热流306也可以来自焦耳热、感应热等。一个实例是使电流通过2
散料来加热散料的IR。在一个实例中，可以通过在特定剥离的表面温度处进行后离子注入退火处理的这个路径提供热。

[0119] 在本发明的另一具体实施例中，台可以主要用于通过降低底部温度进行冷却，从而可以补偿在注入或解理处理期间表面区的加热。换句话说，通过与图6的简图中所示的路径相同的路径，热流307现在从表面区301流到底部区309。为了有效地降低底部温度Tb，低温气体可被供应到由气密密封313密封的在底部区和冷却的台表面311之间的腔315内。通过薄腔(例如，几微米)内高达300Torr的压力，与两个表面相撞的快速移动的气体分子可以有效地将热能从底部区309传递到冷的台表面311。通过调整气压，气体分子平均自由路径可以相对于腔高度而改变，以优化热传递。

[0120] 在大多数情况下，由于散料的较大热质量，通过台传导的冷却控制时间常数小于通过辐射源或轰击到表面区上的粒子的加热的常数，这是因为根据注入和特定解理平面形成退火，EOR区域将发展成具有逐渐降低的导热率，因此该层将更易受到表面加热的影响。随着解理处理的逐步进行，散料长度减少，其冷却时间常数也缩短了。通过利用跟踪改变长度的位置传感器数据，如果有必要，控制器将能够更新时间常数并调整其它控制路径。因此，可以产生用于将进行的解理处理的更新的最佳控制例程。

[0121] 在一个实施例中，随着散料变薄，腔内的气压将被降低以降低导热率来使冷却慢下来。在另一实施例中，控制方案被设计为提供所有速度过程，以保持控制回路稳定地实现最快或至少预定加热/冷却速率，从而以最有效的方式到达期望的处理温度。例如，在注入之前，如果目标散料被冷却但配方却要求300℃，则高于300℃的设置将用于通过更早降低到设置点的台使注入散料的表面较快达到300℃，过度改变温度使得加热/冷却循环尽可能的快。

[0122] 重新参照图5，一旦表面温度Ts达到设置的处理温度Tp特定执行方法200的处理步骤250，以开始注入处理。根据本发明的具体实施例，如在图7的简图中所示，处理250包括使散料400的表面区01经受多个第一高能粒子405。根据具体实施例，可以利用可能包括线性加速器的注入装置来生成高能粒子405。也可以进行与在注入子步骤和后注入退火之间设定值温度处理子处理相结合的原地退火。如同图5中的所有其它步骤一样，步骤220和230可以在随后步骤250和260中多次重新应用。因此，图5仅是第一设定值处理的实例，且不应认为构成对其的限制。当然，也可以存在其它修改、变更、和替换。

[0123] 在具体实施例中，如在图8的简图中所示的，产生注入高能粒子505导致在解理区503内形成多个吸杂位置或聚积区。该解理区503可设置在表面区501之下，以限定将被分离为自支撑层的散料500的厚度510。优选地，多个第一高能粒子提供具有峰浓度的注入粒子特性，并且基底空间上设置在散料的深度中。当然，可以存在其它修改、变更、和替换。

[0124] 在一个实施例中，在注入期间，解理区保持在可以直接或间接设置的第一温度，例如在大约-100℃到250℃的范围内。在一个实施例中，可以通过设备100控制温度。在另一实施例中，可以通过执行处理步骤220、230、和240来控制温度。当然，可以存在其它修改、变更、和改变。

[0125] 根据应用，根据具体实施例，通常选择较小质量的粒子，以降低注入到材料中的期望深度所需的能量并减小对材料区的可能破坏。即，质量粒子越小，就越容易穿过衬底材料达到所选的深度，而基本上不破坏粒子穿过的材料区。例如，较小的质量粒子(或能量粒子)几乎可充以任意电荷(例如，正或负)和或中性原子或分子、或电子等。在具体实施例中，粒子可以是中性的或充电的粒子，其包括诸如氢及其同位素的离子物种、诸如氦及其同位素的稀有气体离子、和氖、或根据实施例的其它粒子。可选地，粒子可以是上述粒子、和或离子和或分子物种、和或原子物种的任意组合。粒子可以来自于诸如气体(例如，氢气、水蒸汽、甲烷、和氢化物)的混合物、和其它轻原子质量的粒子。粒子通常具有足够的动能，以穿过表面到达表面之下所选的深度。

[0126] 例如，利用氢作为注入物种，使用一组特定条件来执行注入处理。注入氢的剂量可15 16 2 16
以在大约1×10 到大约1×10 原子/cm 的范围内，且优选注入氢的剂量小于大约8×10
2
原子/cm。氢注入的能量可以在大约0.5MeV到大约5MeV或更大的范围内，以形成用于光电应用的厚膜。注入温度在大约-100℃到250℃的范围内，且优选小于大约400℃，以避免氢离子扩散到注入的硅解理区之外的可能性。氢离子以大约±0.03到±3微米的精度被可选地引入到硅晶片内的所选厚度。当然，使用的离子类型和处理调节取决于应用。

[0127] 在具体实施例中，可以使用具有大约1MeV到大约5MeV能量范围的质子注入形成从大约15μm到大约200μm的硅膜厚度范围。该厚度范围使可用作自支撑硅层的单晶硅厚度的分离。根据本发明的实施例的具有15-200μm厚度范围的自支撑硅层可以用于替换传统的晶片切割、蚀刻、或抛光处理。因此，传统的分离技术将期望产生大约50％的切损(kerf loss)(切损被定义为在切割并切片操作中的材料损失)，根据本发明实施例的技术几乎不产生切损，从而节约了基本成本并改进了材料利用的有效性。

[0128] 根据特定实施例，可以使用高于5MeV的注入能量。在半导体装置的制造中，这种高能量的注入可用于制造作为半导体装置中衬底的可选材料的自支撑层。然而，在太阳能电池的制造，通常期望自支撑材料的厚度为200μm或更小。

[0129] 现在参照图9，根据本发明的方法200的实施例可以可选地在散料600上执行热处理过程，以在解理区603内进一步形成多个吸杂位置。即，热处理过程对解理区603进行退火和/或淬火，以将适当的多个第一粒子固定在缺陷网络。热处理提供了可以作为在随后和/或当前的注入处理中用于吸杂并累积粒子的有效位置的固定的缺陷网络。在具体实施例中，该过程可以利用来自表面区601上的CW和/或脉冲辐射热605和来自底部的热传递607来补偿用于实现期望的热处理温度。也可以利用焦耳或感应的热流608。例如，通过设备100执行温度控制。

[0130] 在具体实施例中，方法200的处理260还包括使散料的表面区经受多个第二高能粒子，如图9的简图所示出的。可以利用注入装置(例如，设备100中的可以包括线性加速器的注入装置140)产生多个第二高能粒子705。如图所示，该方法包括提供到散料700中的多个第二高能粒子705。多个第二高能粒子705被引入到解理区703，使得解理区的应力级从第一应力级变为第二应力级。在具体实施例中，第二应力级适合于随后的解理处理。在具体实施例中，散料被维持在高于第一温度的第二温度，例如在大约20℃到500℃之间的范围内。例如，通过设备100并通过执行处理220、230、和240来控制第二温度。当然，使用的离子类型和处理条件取决于应用。

[0131] 作为实例在第二注入步骤中使用注入到散状单晶硅材料中的氢物种，利用一组特15 16 2
定条件执行注入处理。注入剂量在5×10 到大约5×10 原子/cm 的范围内，并且优选地
17 2
剂量小于大约1-5×10 原子/cm。注入能量在大约1MeV或更大到大于5MeV或更大的范围内，以形成对光电应用有用的厚膜。注入剂量速率可以被设置在大约500微安到大约50微安内，且可通过积分在扩展射束面积上的注入速率来计算总剂量速率。注入温度在大约
250摄氏度到大约550摄氏温度的范围内，并且优选大于大约400摄氏度。氢离子以大约±0.03到±3微米的精度可选地被引入到硅晶片中的所选厚度。在具体实施例中，选择温度和剂量以在解理区内将单原子氢有效地转换为分子氢，同时存在一些单原子氢的扩散。
当然，所使用的离子类型和处理条件取决于应用。

[0132] 本方法的具体实施例可以使用所选质量的高能注入方法，其具有适当的射束强+ -度。为了节省成本，注入射束电流应该约等于几十毫安的H 或H 离子束电流。如果系统可+
以主要注入高能量，则H2 离子也可以有利地用于实现较高剂量速率。最近已经通过使用射频四极场线性加速器(RFQ-Linac)或漂移管直线加速器(DTL)或RF聚焦交叉指型(RFI)技术使得这种离子注入设备是可用的。其可以从诸如Pleasanton的Accsys Technology Inc.，Linace Systems，LLC of Albuquerque，NM 87109等公司得到。

[0133] 可选地，在注入处理之后，根据本发明的方法200的过程250的具体实施例还包括热处理过程。一个具体实施例对于硅材料使用了范围从大约450摄氏度到大约600摄氏度的热处理。在优选实施例中，可以通过至少部分执行方法200的温控过程220、230、和240来执行热处理。当然，也存在其它改变、变更、和替换。

[0134] 重新参照图5，在系统100内可以发生解理处理，其中，一旦表面温度Ts达到设定的处理温度Tp，就执行方法200的处理步骤260，以开始解理处理。当然，也存在其它改变、变更、和修改。

[0135] 如图11所示，根据本发明的方法的具体实施例包括使用解理处理分离自支撑层的步骤，同时从永久重叠的支撑部件等中分离自支撑层。如图所示，从剩余的散料800中去除自支撑层810。在具体实施例中，可以使用受控的解理处理来执行分离步骤。受控的解理处理将所选的能量提供到部分解理区中。仅作为实例，已经在题为Controlled Cleaving Process的美国专利第6,013,563号中描述了该受控的解理处理，其被普通转让给Silicon Genesis Corporation of SanJose，California，其内容结合于此作为参考。如图所示，根据本发明实施例的方法从散料中分离出自支撑厚度的层，以完全去除自支撑层。当然，也存在其它变更、替换、和修改。

[0136] 本发明的某些实施例可以使用一个或多个图样化的区域，以方便解理动作的开始。这种方法可以包括使半导体衬底的表面区经受由线性加速器产生的多个第一高能粒子，以在解理区中形成多个吸杂位置的图样化区域。在根据本发明的方法的一个实施例中，解理区被设置在表面区之下，以限定将剥离材料的厚度。半导体衬底保持在第一温度。该方法也包括使半导体衬底经受处理过程(例如，热处理)。该方法还包括使半导体衬底的表面区经受多个第二高能粒子，其被提供以将解理区的应力级从第一应力级变为第二应力级。该方法包括在图样化区域的所选区域处开始解理动作以使用解理处理剥离可分离材料的厚度的一部分，并利用解理处理分离可分离材料的厚度。

[0137] 该图样化的注入过程使表面遭受剂量变化，其中，通常使用较高剂量和/或热预算过程处理开始区域。可以通过以下步骤发生解理动作的传播以完成解理动作：(i)附加剂量的区域以引导向前传播解理，(ii)应力控制以引导解理的深度，和/或(iii)自然结晶的解理平面。根据所使用的具体解理技术，可以较少剂量注入(或者根本不注入)一些或大多数区域。该降低剂量的区域可以通过降低从衬底分离每个膜所需的总剂量来帮助提高注入系统的总生产率。

[0138] 根据具体实施例，可以通过使用注入射束本身来帮助产生较高剂量的开始区，以同步增加区域剂量，同时加热并准备用于局部化膜分离的区域。在注入射束处理期间，或在使用单独的热处理步骤进行注入之后，可以在原地完成注入。使用传感器测量和反馈开始区的状态，可以有助于在解理发生之后立即精确且可控的局部化膜分离，并避免过热或破坏该层。

[0139] 本发明的具体实施例可以执行其它过程。例如，该方法可以更换与支撑部件接触的被稍后处理的自支撑层。此外或可选地，在表面区经受多个第一高能粒子之前，根据本发明实施例的方法对散料执行一个或多个处理。根据具体实施例，处理可以用于形成光电池、集成电路、光学装置、及其组合等。当然，也存在其它改变、变更、和修改。

[0140] 根据本发明的实施例，自支撑材料的厚度可以从15微米或更小到200微米。例如，利用技术解理硅锭厚度的大约70％可以产生350个自支撑单晶硅膜，其中的每一个都具有2
100um的厚度。因为1m 表示大约具有15cm×15cm面积的45个瓦片表面，所以可以从5cm
2
厚锭的70％中产生出总共大约7.8m 的硅表面积。进一步处理自支撑材料的厚度，以为诸如光电装置、3D MEMS或集成电路、IC封装、半导体衬底制造、半导体装置、及其组合等的应用提供高质量的半导体材料。本方法的一个实施例提供了用于高效光电池中的单晶硅。特定实施例使用较低初始剂量的能量粒子，其使节约处理成本且有效。

[0141] 重新参照图5，在从散料中分离出每个自支撑膜之后，可以执行方法200的处理270，特别针对于以生产模式来产生一个或多个自支撑膜。该过程包括读取位置传感器数据，以确定剩余散料是否少于原始散料的30％。也可被转化为检测剩余散料的长度，并将其与存储的原始长度相比较。一旦传感器读数表示剩余散料的长度小于30％。控制器就可以发送信号，以命令结束处理，随后为去除剩余散料。未解理的剩余的30％散料可被融化为高纯度的原材料，以制成用于解理的新的散料。如果位置传感器读数表示剩余散料长度大于
30％，则方法200导致对于剩余散料的下一处理步骤。在另一具体实施例中，位置传感器可以部分地提供与剩余散料的热容量相关的新的输入数据。可以处理该新的输入数据，以确定用于下一处理步骤的更新的控制例程。

[0142] 方法200的下一处理步骤280包括检查与剩余散料相关的多个传感器数据，其与以生产模式制造一个或多个自支撑膜的方法应用相关。在该处理步骤中，检查剩余散料的表面区的表面粗糙度。过程280包括利用一个或多个原地探针来测量剩余散料的表面粗糙度。测得的表面粗糙度参数(或者是包括表面缺陷的其它特性)可以与预定标准相比较。在一个实施例中，在过程280处，可以满足该标准，其也表示解理的膜的质量是可接受的，且剩余散料能够应用于新的解理处理周期。方法200的处理流程可被设置为退回处理步骤
220，随后再次执行处理230、240、250、和260。

[0143] 在另一实施例中，在处理280中，可能不满足该标准，其也表示解理之后的表面将需要被修复或者需要重新准备散料。因此，现在处理流程至少部分地可以被设置为返回到处理步骤210，其中，剩余散料的表面处理将被应用。在一个实例中，表面执行重堆叠和/或重抛光处理，即，处理流程完全重置到处理210，这可能相对成本较高。在另一实例中，可以执行诸如使用增加剂量的离子束，或对表面执行蚀刻，或通过旋转涂布沉积添加薄平滑层等成本较低的处理，以破坏表面粗糙度直到满足标准。

[0144] 图12示出了根据本发明的一个实施例的从一个散料中形成出多个自支撑膜的简化示意图。单晶硅锭900展示出5cm的原始厚度并具有15cm×15cm的横向尺寸。因为3
单晶硅的密度是大约2.32gm/cm，所以该散状单晶硅材料的重量是15×15×5×2.32＝
2.61Kg。因此，根据本发明实施例使用的技术解理该锭900大约70％的厚度产生了350个
2
自支撑单晶硅膜910，其中，每个膜都具有100μm的厚度。因为1m 表示大约具有45个具
2
有15cm×15cm面积的瓦片表面，所以可以从5cm厚锭的70％中产生大约7.8m 的总的硅表面积。未被解理以形成单晶硅的剩余30％的锭，可回收以将其熔解为高纯原材料，从而产生用于解理的新锭。

[0145] 根据本发明的可选实施例，种子层还可以提供对于异质结构外延处理的分层。异质结构外延处理可以用于在其中形成薄多结点光电池。仅作为实例，GaAs和GaInP层可被异质外延沉积到锗种子层上，该种子层是利用根据本发明实施例的注入处理形成的自支撑层。

[0146] 虽然以上是具体实施例的全部描述，但可以使用各种修改、可变构造、以及等效替换。例如，虽然上面的前述实施例示出了散料直接与温控台接触，但其对于本发明不是必须的。根据可选实施例，散料的底部可被固定到介于散料和温控台之间的衬板或连接板。

[0147] 图13A-E示出了通过本发明的实施例采用的将散料固定到温控台的各种方法。图13A的实施例与前述实施例类似，其中，利用与散料侧部凹口相接合的夹具，使散料的底部与温控卡盘的O形环直接接触来进行固定。

[0148] 相反，图13B的实施例利用衬板1320，该衬板1320利用瓦保持胶1326来固定瓦(散料)1322的下表面1322a。在该特定实施例中，衬板稍微小于瓦底部的表面积，但这不是必须的。在可选实施例中，衬板可与瓦底部表面的尺寸相同或者甚至大于其底部表面的尺寸。

[0149] 图13B的特定实施例也示出了具有凹口1328的衬板。这也不是必须的，并且衬板无需具有这种凹口。

[0150] 图13C示出了图13B的固定到温控卡盘的瓦衬板的布置。具体地，与瓦接触的衬板表面相对的表面，依靠位于温控卡盘的凹槽处设置的O形环密封。温控卡盘被配置为将衬板背面暴露于冷却气体，从而控制其温度和与其接触的瓦的温度。

[0151] 根据衬板的环境，可以使用不同的衬板夹具。例如，大气应用可以使用真空卡盘。在图13C的特定实施例中，因为没有示出夹具与衬板的夹具凹槽接合衬板，所以仅通过排气泵保持与卡盘接触。然而，在其他实施例中，夹具可以与衬板的夹具凹槽接合，以保证衬板和温控台之间的牢固接触。根据其他实施例，利用应用的真空或静电力，衬板可被固定到温控卡盘。

[0152] 图13D示出了根据本发明的又一种配置的简化截面图，其中，衬板1330面向瓦1324的表面1330a包括配置为接收O形环1334的凹口1332。凹口1332位于边缘区1334内部，并且密封内部区1336。在该实施例中，凹口1332不仅用于适当地固定O形环，而且用于在瓦和衬板连接到一起时限制在内部区1336中的瓦保持胶的任何扩散。

[0153] 图13E示出了图13D的固定到温控卡盘的瓦衬板配置。具体地，与瓦接触的衬板表面相对的表面依靠位于温控卡盘的凹口处的O形环密封。温控卡盘被配置为使衬板背面暴露于冷却气体，从而控制其温度以及与衬板接触的瓦的温度。

[0154] 在图13E的具体实施例中，利用被配置为与位于衬板侧部的夹具凹槽接合的夹具来保持衬板与卡盘接触。然而，这对于本发明不是必须的，然而在可选实施例中，利用其他方法(例如，应用的真空或静电力)，将衬板固定到温控卡盘。

[0155] 尽管上面已经利用所选的步骤顺序进行了描述，但可以使用所述步骤的任何元素的组合以及其他。此外，根据实施例可以特定步骤可以被组合和/或去除。此外，根据可选实施例，可以利用氦和氢离子的共同注入来代替氢粒子，以形成具有修改的剂量和/或解理特性的解理平面。共同注入的另一种形式涉及在一个或多个注入子步骤中由氘来代替氢。以1-10MeV注入到硅中的氘产生大约3倍或更多的原子位移，因此在图9的解理区603内更有效地形成多个吸杂位置。当然，可以存在其他修改、变更、和改变。例如，可由氢或氘步骤代替第二累积注入，其中，通过扩散过程发生由氢或氘累积的吸杂区。因此，上述描述和说明不应该理解为限制本发明的范围，其由所附权利要求限定。

[0156] 还应当理解，在文中描述的例子和实施例仅出于示例性的目的，本领域技术人员建议的各种修改或改变应当包括在该申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。

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