从有时间概念开始，人类就依靠“太阳”来获取几乎所有的有 用能量形式。这样的能量来自石油、辐射、木材以及各种形式的热 能。仅作为实例，人类严重地依靠诸如煤和天然气(瓦斯，gas)的 石油源(petroleum sources)来满足人类大部分的需要。不幸的是， 这样的石油源已经变得被耗尽了并且导致了其他问题。作为部分替 代物，已经提出了太阳能来降低我们对于石油源的依赖。仅作为实 例，可以由通常由硅制成的“太阳能电池”来获得太阳能。
当暴露于来自太阳的太阳辐射时，硅太阳能电池产生电力。辐 射与硅原子相互作用并且形成电子和空穴，电子和空穴移动到硅本 体(硅衬底，silicon body)中的p掺杂区域和n掺杂区域并在掺杂 区域之间产生电压差和电流。已经将太阳能电池与集中元件(聚焦 元件，concentrating element)集成在一起以改善效率。作为一个实 例，利用集中元件使太阳辐射聚集和集中，该集中元件将这样的辐 射引导至活性光伏材料的一个或多个部分。虽然这些太阳能电池是 有效的，但是仍然具有很多限制。
仅作为一个实例，太阳能电池经常依靠诸如硅的原材料。这样 的硅经常使用多晶硅和/或单晶硅材料来制备。根据单晶晶粒的尺寸 和结晶度，多晶硅材料还可以被称作多晶型的(multicrystalline)、 微晶的、或纳米晶的。在下文中将这些材料称为“多晶硅”，其与 单晶材料是相对的，该单晶材料不具有许多随机晶体取向和许多晶 粒边界(晶界)。无定形硅不是通常用于切片(wafered)的太阳能 电池中的硅的形式，其原因在于无定形硅在小于几微米的厚度上较 差的载流子寿命(载体寿命，carrier lifetime)。
用于太阳能电池的材料经常难以制造。经常通过制造多晶硅板 来形成多晶硅电池。虽然可以利用结晶炉(crystallization furnace) 以成本有效的方式来形成这些板，但是它们不具有用于高度有效的 太阳能电池的最佳特性。具体地，多晶硅板在捕获太阳能和将所捕 获的太阳能转换成有用的电力方面没有呈现出最高的可能效率。
相反，单晶硅(c-Si)具有适合于高级太阳能电池的特性。然 而，这样的单晶硅制造昂贵并且也难以以效率高和成本有效方式用 于太阳能应用(solar application)中。
另外，在传统制造单晶硅基板(衬底)的过程中，多晶硅和单 晶硅材料均遭受材料损失，其中，切割工艺(sawing process)用来 将薄单晶硅层与初始生长的单晶硅锭(silicon ingot)物理分开。例 如，内径(ID)切割工艺或线切割工艺从铸件(cast)或生长的晶 锭(boule)中除去了40％以及甚至高达60％的原材料并且将该材料 分成(singulate)晶片形式的部分(wafer form factor)。这是制备以 供太阳能电池使用的薄多晶硅或单晶硅板的高度无效的方法。
为了克服使用硅材料的缺陷，已经提出了薄膜太阳能电池。通 过使用较少的硅材料或可替换材料使得薄膜太阳能电池经常不太 昂贵，但是与由单晶硅基板制造的较昂贵的块状硅电池相比，可替 换材料的无定形或多晶结构是较少有效的。
从以上内容可以看到，高度期望以低成本和高生产率来制造合 适的高质量的单晶硅片的技术。
发明内容
可以通过提供半导体衬底(基板，substrate)来形成材料膜， 其中该半导体衬底具有表面区域以及位于该表面区域下方预定深 度的裂开区域(解理区域，cleave region)。在从衬底裂开膜的过程 中，裂开区域中的剪切被仔细地控制。根据某些实施方式，面内剪 切分量(in-plane shear component)(KII)保持为接近0，并且夹在 拉伸区域与压缩区域之间。在一个实施方式中，可以使用位于衬底 表面上方的板来完成裂开。该板用来限制膜在裂开期间的运动，并 且与局部热处理一起降低在裂开过程中产生(发展，develop)的剪 切。根据其他实施方式，KII分量被有目的地保持在高水平上并用 来引导和驱动断裂(裂纹)经过裂开序列而扩展(蔓延)。在一个 实施方式中，通过使硅暴露于E光束辐射而对硅进行绝热加热来获 得高KII分量，这赋予了非常陡的热梯度并且在硅中的精确限定的 深度处产生了应力。
本发明的实施方式总体涉及用于形成厚膜的层转移(layer transfer)技术。更具体地，本发明提供了一种方法和装置，其用于 厚膜的低自由层的转移或者甚至是注入自由层的转移，以用于太阳 能电池。仅通过实例，本发明适用于沿单晶硅衬底的晶面而裂开厚 膜。但是将认识到，本发明具有更宽范围的适用性。
通过实施本发明可以获得许多益处。在优选的实施方式中，可 以选择具有处在{111}或{110}晶面中的表面平面(surface plane)的单晶硅锭衬底。因此，几乎可以消除或限制用于形成裂开 区域的离子注入工艺，以形成具有周边区域部分的裂开起始区域。 这基本上简化了层转移工艺，减少了系统能量成本，并且增加了生 产率。
在某些实施方式中，该工艺被分成(i)起始工艺，其利用较高 注入剂量(起始剂量)来在硅锭衬底的相对小的区域(起始区域) 中引发断裂；以及(ii)扩展过程(扩展工艺)，其使得起始的裂纹 尖端延伸通过硅锭衬底的剩余部分以释放厚膜(扩展区域)。由于 扩展过程必须使起始区域延伸通过待被释放的厚膜的表面区域的 大部分，因此该过程应该以小注入剂量而可靠地操作，并且可能无 需任何剂量。这被称为扩展剂量，并且该过程所需的总剂量将因此 是起始和扩展剂量的加权面积平均值。例如，如果起始面积是总面 积的1％并且利用6×1016cm-2的氢同时扩展面积利用1×1016cm-2 的氢，则总有效剂量是0.01*6×1016cm-2+0.99*1×1016cm-2或1.05 ×1016cm-2。减少或消除扩展剂量将对用于该裂开工艺需要的总剂 量具有一阶(第一级，first order)影响。
剂量的降低又取决于(i)优化被注入的氢的效果以最大化其裂 开引导作用；以及(ii)通过在裂纹尖端处产生合适的应力强度条 件而优化裂开工艺，以将裂开前部保持在所需深度内而没有使膜破 碎或裂开。根据本发明的实施方式涉及优化裂开扩展工艺期间的机 械构造。
在一个实施方式中，通过以使用线性加速器产生的受控剂量来 辐射高能离子颗粒，可以以图案化的注入来形成裂开起始区域。在 特定实施方式中，本发明提供了一种具有力加载(其通过适当热处 理工艺和/或机械力产生)的机械力矩加载，以产生应力梯度，使得 不考虑机械构造的自然趋势，可以形成基本上是0的剪切区域，以 产生混合模式加载。在另一个实施方式中，外部施加的能量产生受 控混合模式加载条件，其足以提供沿期望裂开面的扩展。
利用本发明的实施方式，可以生产具有从几十微米到几百微米 的厚度的高质量的厚膜晶体材料，其具有的切口损失基本上低于利 用传统技术而可能存在的情况。所得到的单晶硅厚膜特别适合用于 高效率(20％或更高)的光伏电池中。一些实施方式可以使用现有 的制造工艺系统和技术，并且获得(采取)用于制造各种半导体器 件应用的薄晶片/衬底的某些新开发技术的一些优点。关于本发明各 种实施方式的更多细节可以在下文的描述中找到。
附图说明
图1示出了扩展的一般情况的简化示意图。
图2是示出了通过根据本发明实施方式的图案化注入高能粒子 而形成裂开起始区域的简化视图；
图3A示出了包括限制板(constraint plate)的用于裂开的装置 的简化截面图。
图3B示出了利用限制板由裂开产生的膜的应力的模拟结果。
图4对于利用膜位移加载而描绘了几个数值，作为在裂纹扩展 期间裂开区域的质心离衬底的突出边缘(tab edge)的距离(以μm 为单位)的函数。
图5对于热剪切而描绘了几个数值，作为在裂纹扩展期间裂开 区域的质心离衬底的突出边缘的距离(以μm为单位)的函数。
图6A描绘了在42kPa的外加压力下裂开能量与温差的关系曲 线。
图6B描绘了在42kPa的外加压力下KII/KI比率与温差的关系 曲线。
图7示出了在热加载和裂纹扩展之前不久的完全加载压力。
图8A示出了在热浸(热浸透，heat soak)结束时得到的热分 布(thermal profile)。
图8B示出了在冷冲击结束时得到的热分布。
图9A-9D示出了用于裂开三个区域的加热/冷却裂开序列以及 在施加压力之后的裂纹扩展时间序列。
图10示出了由施加热裂开工艺而产生的能量分布。
图11示出了作为电子能量函数的进入硅和锗中的电子范围。
图12A-12C示出了在绝热加热脉冲开始和接近结束时，根据力 矩加载所得的膜应力和裂开条件。
图13描绘了在一段时间周期内由绝热加热产生的能量密度与 进入硅中的深度的关系曲线，该绝热加热是由施加电子束而产生 的。
图14是示出了通过产生力矩M2和M3而进行裂开的简化截面 图，力矩M2和M3是通过向被夹住的衬底的边缘直接施加力而产生 的。
图15是示出了通过产生力矩M1-M3和力P1-P3而进行裂开的简 化截面图，该力矩和力是通过向被夹住的衬底施加热能而产生的。
图16是示出了通过产生力矩M1、M2和M3而进行裂开的简化 示意图，该力矩是通过向被夹住的衬底施加声能(sonic energy)而 产生的。
图17是示出了通过产生力矩M1、M2和M3而进行裂开的简化 示意图，该力矩是通过向被夹住的衬底局部施加声能而产生的。
图18是示出了根据本发明的工艺的实施方式的步骤的简化工 艺流程。

本发明的特定实施方式提供了一种方法和装置，用于太阳能电 池的厚膜的层转移。仅通过实例，本发明适用于沿单晶硅衬底的晶 面裂开厚膜。但是，将认识到本发明具有更宽范围的适用性。例如， 其他材料，诸如锗、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、或碳化硅(SiC) 可以经受裂开工艺以释放材料的膜，用于太阳能、光电子或半导体 应用。
如背景技术部分中所讨论的，基于太阳能电池的硅的生长依赖 于降低在切片切口损失成本方面的瓶颈。传统切割或者采用目前报 道的切片技术(诸如多线切割、火花切割、激光切割、或等离子切 割)(其提供适合于太阳能电池的厚膜)，由于以下一个或多个方 面：高切口损失、慢切割速度、和缺少可制造性，使得这些技术可 以呈现有限的有效性。
一种解决方案是利用高能离子束来在衬底表面下方的期望厚 度处形成裂开区域，然后执行层转移过程，以从剩余衬底释放该厚 度的膜。然而，仅利用注入离子来形成易于裂开的裂开区域，可能 需要高离子剂量和延伸的注入区域。而且，对于注入离子的这种依 赖可能导致较高的表面粗糙度、在高离子剂量的情况下增加的成本 和较低的生产率，以及潜在的较低的产率。根据本实施方式，利用 本发明的方法和结构克服了这些以及其他限制。
根据本发明的特定实施方式，可以完成材料膜的裂开，其中， 利用在裂开期间小心地控制剪切条件的裂开工艺而基本上降低了 离子的注入，或者可能完全没有注入。在一种实施方式中，通过提 供半导体衬底可以形成材料膜，该半导体衬底具有表面区域、周边 区域(peripheral region)、以及在表面区域下方的预定深度处的裂开 区域。对于本申请专利，术语“裂开区域”不必表示已经接受辐射 或注入离子的区域，而是指在施加辐射和/或注入离子和/或适合的 外部裂开能量之后可以与衬底分开的区域。
可以将裂开起始区域限定在周边区域的一部分中以及裂开区 域的附近。可以通过使得裂开起始区域经受热、化学、电、和/或机 械过程以在该起始区域中弄碎或释放膜的一部分而形成裂开起始 区域。
在一个实施方式中，通过使得裂开起始区域经受局部热处理而 完成起始裂开，从而裂开前部可以在该区域中开始，并且扩展至起 始区域的周边，在该位置处，剂量较低并且不会促使进一步的扩展。 然后，可以继续一般的膜释放过程以使起始膜从现有的裂开前部扩 展通过衬底的剩余部分。
图1是简化图，示出了根据本发明实施方式的半导体衬底的侧 视图，该半导体衬底具有位于表面区域下方预定深度处的裂开区 域。该图仅是一个实例，其不应该不适当地限制本文中权利要求的 范围。本领域技术人员将会认识到很多改变、替换、和变型。
如图1所示，提供了半导体衬底1700，其具有表面区域1702 和周边区域1704。此外，提供了裂开区域1706。该裂开区域实质 上处于位于表面区域1702下方的预定深度d处的虚拟平面(虚平 面，virtual plane)或层中，并且用于限定待从半导体衬底1700分 离的厚膜1720的厚度。在一个实施方式中，半导体衬底的厚度基 本上大于深度d。在具体实施方式中，半导体衬底是用在光伏太阳 能电池中的单晶硅材料。在具体实施方式中，硅衬底具有选择性地 处于{111}或{110}晶面中(可以存在小于约1°或小于约3°的特 定小误切角)的表面平面。在具体实施方式中，所限定的裂开区域 基本上平行于表面区域。与传统的{100}面相比，由于裂开作用 能量上更容易沿着{111}面，接着是{110}面，因此期望将材料定 向成被裂开，以使待被裂开的表面与下表面能量结晶裂开面一致。 在共同转让给Francois J.Henley的题为“METHOD AND DEVICE FOR SLICING A SHAPED SILICON INGOT USING LAYER TRANSFER”(代理人档案号：018419-025600US)的美国临时专利申 请中可以发现用于选择用于切片或裂开的硅晶锭的特定取向的技 术的详细描述，并通过引用方式结合于此。
图1还示出了通过根据本发明实施方式的图案化注入高能粒子 而形成裂开起始区域。该图仅是一个实例，其不应该不适当地限制 本文中权利要求的范围。本领域技术人员将认识到很多改变、替换、 和变型。
如图1所示，周边区域1704的一部分可以在表面区域1702中 与预定的图案化区域(在图1的截面图中没有直接示出)相关联。 在一个实施方式中，周边区域的所选部分处于裂开区域1706的边 缘附近。
接着，表面区域1702的图案化区域暴露于高能离子束1740， 例如，利用线性加速器产生的H+离子，其具有1MeV以上的能级。 在一个实施方式中，图案化起始区域的面积限制为总衬底表面积的 1-3％(例如，对于125mm×125mm大小的衬底是2-5cm2或更小)， 使得离子粒子剂量受到良好地控制，最小化了系统的能量成本并且 提高了厚膜裂开工艺的生产率。
高能离子被注入到表面区域下方以到达处于裂开区域1706附 近的区域。离子的穿透深度取决于能级，并且可以被控制到确定裂 开区域的深度d的期望值。通过将动能转移到离子化(电子制动 (electronic braking))形式的晶格中而使得注入离子在晶格中减慢， 并且通过移动原子(核子停止(nuclear stopping))而使得原子损害的 量很小。
在最后阶段(总范围的约2-5％)中，离子在核子停止的状态 下与晶格发生基本更多的相互作用，并且形成相对高应力和损害晶 格键合的薄区域以限定裂开起始区域1708。如所示出的，所形成的 裂开起始区域1708是小的平面区域，其从周边区域1704的一部分 朝向裂开区域1706中延伸。由于通过在小于表面区域总面积的 1-3％的区域中辐射离子粒子而执行图案化注入，所以该起始剂量可 以高于扩展剂量。这使得平均面积剂量保持得很低，以便提高生产 率。当然，可以存在许多替换、改变和变型。
基本上是0的剪切区域
本发明的特定实施方式寻求改变裂开构造以降低、消除、或控 制在扩展裂开断裂的尖端处的剪切模式II应力强度因子(KII)。在 这样的条件下，使得裂开作用能够沿期望的裂开面进行。
在条件KII＝0是对于裂开方向的理想条件时，存在KII的特定 范围，在该范围内，裂开将会沿着结晶裂开面或沿着氢注入剂量面 而进行。因此，在条件使得能够将KII保持在0周围的有限范围内 的情况下，可以期望裂开作用继续以便沿着裂开面。
下面的讨论将针对一般线弹性断裂力学(LEFM)方程，该方 程可以控制根据本发明实施方式的裂开。该分析假设具有大面积板 (tile)，其中膜显著地比硅板(silicon tile)的其余部分更薄。
图2示出了起始工艺之后的机械构造。具体地，从具有厚度H 的硅锭衬底的其余部分部分地释放厚度h的厚膜。由于衬底相对于 裂开材料的显著更大的尺寸，所以可以理解h＜＜H，并且板力矩(tile moment)和力M2、P2和M3、P3非常小。因此，在裂纹尖端处看到 的应力强度源是由M1和P1支配的，并且力矩和力耦合于该部分释 放的厚膜。
本发明实施方式的基本概念是氢裂开面。氢裂开面(H面)影 响通过应力和层弱化效应的裂开作用。具体地，H面可以用作较高 剂量的起始层以及当剂量较低时的引导或扩展层。在这两个剂量形 式下H层的作用是不同的。
根据范围端部(EOR，end-of-range)氢注入层的裂开作用的一 种效果是，在裂开面周围的断裂强度降低。通过键合损坏以及通过 由氢本身存在引起的应力，可以导致断裂强度的这种降低。这两种 考虑因素均可以降低在裂开过程中形成新表面所需的能量。
在裂开过程中形成新表面所需的能量在下文中被称作表面能 (γ)。在未注入的单晶硅中，对于{111}取向，表面能为约1.2J/m2， 虽然硅中的断裂韧性有时被报道为4-6J/m2，并且包括诸如晶格捕 获(lattice trapping)的效果，以给出有效能量用于产生新表面。对 于在{111}取向上的硅的以下分析，将假定每表面(总共为2.4 J/m2)的表面能是1.2J/m2。
相反，沿注入裂开面的改变的表面能的数值(γ‘)可以基本上 更低，可能低5或更大因数(倍)。有效裂开面的表面能值(γ‘)根 据以下关系与为注入的表面能(γ)有关：
(1)γ‘＝αH2*γ
其中，αH是0至1之间的因子，其用来量化由于氢脆变引起的 裂开能的降低。αH这一项考虑了为产生所有应力和键合损坏效果的 精确表示所必须的所有效果。αH被实验地确定作为裂开能、剂量、 注入热条件、和后注入热条件的函数。
如果H剂量脆变效果正比于应力强度，则可以理解，裂开能与 剂量二次相关如下。对于小于约3-4×1016cm-2的相对低的剂量：

其中，kH是待被实验确定的常数，而是氢剂量。
将等式(2)代入等式(1)中得到：

由于在线弹性断裂力学中裂开能是基本参数，所以注入剂量与 能量之间的相关性使得能够精确地预计裂开用作并对其建模。
在裂开工艺期间形成两个表面。因此，裂开能释放率(G’)与 表面能相关如下：
(4)G’＝2*γ’＝2*αH2*γ
根据脆变因子(αH)，G’可以从约2.4J/m2变化到基本小于裂开 面内。例如，在涉及50μm厚单晶硅膜的实验中，由2-8×1016cm-2 的H注入剂量形成的在裂开面中的裂纹表明，对于大于约4-6×1016 cm-2的H剂量，如通过双悬臂梁机械构造测得的，存在可测量的裂 开能的降低(αH2＜1)。
较低的裂开能可以具有引导效果，以便在扩展期间将裂开面保 持在弱化层中。这是因为如果αH较低，则从裂开面分支出的能垒将 更高。例如，高剂量注入可以导致注入中裂开能充分降低，膜可以 从衬底简单剥离。
对于具有较低氢剂量(小于约4×1016cm-2)的裂开面，已经实 验确定了αH2～1。当裂开能基本上具有固有裂开能量值时，较低剂 量时的裂开引导由此主要由注入的氢压缩应力分布支配，这有助于 将裂开前部保持成沿裂开面扩展。具体地，引导效果是由面内压缩 层产生的剪切力，当裂开前部移动远离压缩应力分布的中心时产生 该面内压缩层。裂开前部深度离开压缩应力的该中心点的任何偏离 将倾向于产生具有极性的面内(KII)剪切力，其试图在剪切应力强 度值的范围内(非0的KII)将裂开前部保持成平行于裂开面并在 该裂开面内扩展。因此，如果裂开前部开始向上移动至表面，则正 (KII)剪切力将朝向中心向下引导裂开前部。相反地，如果裂开前 部开始向下移动进入板，则负KII剪切力将朝向中心更高地引导裂 开前部。
这种现象发生的原因在于，在裂开期间产生的任何非0的KII 将倾向于引导断裂面远离裂开面从而最小化KII。可以通过由裂开 层产生的剪切而一定程度上控制这种效果，该裂开层是在相反方向 上产生的。该结果是裂开深度的净偏置，在KII＝0的情况下，其 变为新裂开深度。
已经实验观察到了裂开深度的这种轻微移动，并且裂开层可以 吸收的最大剪切与裂开面处存在的压缩应力水平和限定裂开面的 注入的蔓延(straggle)(Rp)有关。一旦剪切应力水平高于该临界 水平，则裂开前部将跳出裂开面，并且将发生裂开失效。
因此，潜在重要的设计考虑是具有这样的裂开构造，该裂开构 造最小化所引起的KII剪切力，以便以低扩展剂量使得受控的裂开 处于期望的深度。通过KII应力强度的捕获范围能够对该效果进行 建模，在该范围中，裂开扩展方向继续处于平行于并靠近KII～0 断裂扩展面。
KII应力强度因子的上限和下限被限定为ΔKII-和ΔKII+，其中失 去了裂开方向控制。对于裂开工艺的设计，这些参数是重要的，这 是因为低捕获范围将意味着裂开面可以容易分支并且导致裂开失 效。
确定ΔKII-和ΔKII+因子作为剂量和注入/退火条件的函数，也将 与裂开系统的设计有关。评价的ΔKII-是约-0.18MPa-m1/2，其用于针 对{111}硅(其中αH2～1)将扩展保持为具有-0.779的复合比 (mixity)(KII/KI)(没有膜应力P1的膜混合模式M1的混合模式应 力强度比率)。
裂开失效基本被限定为裂开面的不期望的分支，其通常会导致 断裂膜。因此在裂开技术的设计中需要考虑的是避免裂开面的不期 望的分支。例如，被发现影响不期望分支的其他因素包括晶体取向 和注入剂量以及深度和温度分布。
已经发现其他效果是重要的。例如，对于单晶硅，在裂开面附 近注入的以及用于产生P1裂开应力的热能将受到以下事实的影响： 注入的裂开面具有在被未注入的单晶硅上基本更低的热导率。这种 更低的热导率是由于氢注入损坏造成的并且将倾向于改变温度分 布，其进而将改变裂开应力。
已经开发出了一系列闭合形式的等式，以研究裂开行为。这些 等式的开发假设了，在衬底的深度(h)处存在由裂开初始化导致 的开始裂纹，从而限定了裂开膜的厚度。在许多实例中，h＝50μm， 但是在这些等式中允许任何膜厚度。这些模型假定5mm的分离膜 长度(即，c或有时是L)。几何形状是二维的，这意味着宽度w不 会随着沿线发生的裂开而变化。
裂纹开口力模式(KI)以及面内剪切力模式(KII)在对于对 裂开工艺进行建模中是重要的参数。可以预计，如果利用用于该裂 开构造的已知的断裂能量，则所得到的导致裂纹延伸和扩展的条件 将与硅或任何其他材料匹配。例如，当G’超过2*γ’时，对于未注入 层来说，在单晶硅中发生的断裂条件已知是约2.4J/m2。
用于断裂扩展的阈值被如下限定：
$G=\frac{1}{{\bar{E}}_1}(K_I^2+K_{\mathrm{II}}^2)---\left(5\right)$
其中，E’＝平面应变等式，其被限定为E’＝E/(1-υ2)，并且对于 本申请文件，G是G’，并且通常通过等式(4)与裂开面相关：
(4)G’＝2*γ’＝2*αH2*γ
图2示出了扩展问题的一般情况。将等式(4)代入等式(5) 中得到以下用于KI和KII的解：
$\left(6\right),G^{\prime }=\frac{1}{2\bar{E}}[\frac{P_1^2}{h}+12\frac{M_1^2}{h^3}+\frac{P_2^2}{H}+12\frac{M_2^2}{H^3}-\frac{P_3^2}{h+H}-12\frac{M_3^2}{{(h+H)}^3}]$
其中Pn和Mn分别是作用在各个构件上的力和力矩。
KI和KII因子则采用以下形式：
$K_I=\frac{P}{\sqrt{2\mathrm{hU}}}\cos \omega +\frac{M}{\sqrt{2h^{3}V}}\sin (\omega +\gamma ),$
$K_{\mathrm{II}}=\frac{P}{\sqrt{2\mathrm{hU}}}\sin \omega -\frac{M}{\sqrt{2h^{3}V}}\cos (\omega +\gamma ).---\left(\mathrm{7,8}\right)$
其中，如通过由Hutchinson和Suo在“Mixed Mode Cracking in Layered Materials”，Advances in Applied Mechanics，Vol.29(1992)中 详细描述的力、力矩和几何结构来获得这些参数，其通过引用方式 整体结合于此，用于所有目的。
如果假设剩余衬底的厚度(H)相比于膜厚(h)是非常大的， 则可以简化以上等式(7，8)，并通过以下将它们折为等式(9，10)：
γ(角度)＝0
P＝P1
M＝M1
U＝1
V＝1/12
ω＝52.07度
η＝h/H～0
所有C常数是零
$K_I=\frac{1}{\sqrt{2}}[{\mathrm{Ph}}^{-1/2}\cos \omega +2\sqrt{3}{\mathrm{Mh}}^{-3/2}\sin \omega ],$
$K_{\mathrm{II}}=\frac{1}{\sqrt{2}}[{\mathrm{Ph}}^{-1/2}\sin \omega -2\sqrt{3}{\mathrm{Mh}}^{-3/2}\cos \omega ],---\left(\mathrm{9,10}\right)$
等式(9，10)将用于针对M2、P2和M3、P3是零的情况得到 裂开方法的各种构造。基于构造的等式中的仅有的变化包括用于特 定加载条件的适当的力(P)和力矩(M)的关系。下文中将讨论 M2、P2和M3、P3不是零的情况。
导致KII取消的裂开构造
一般等式9和10表明，赋予给膜的力和力矩将如在等式中描 述的在裂纹尖端处产生KI和KII应力强度因子。膜作用力P是赋 予膜的且与裂纹尖端区域处的膜应力相关的每单位宽度的作用力， 作为P＝σ*h。力矩是施加在膜上的力矩，其在裂纹尖端处产生M。 M和P的关系在等式9中是加和的但在等式10中是相减的，这表 明施加P和M可以在KI方面进行加和而在KII方面进行相减。因 此，如果力矩M和膜应力作用力P选择正确，则在取消KII(零) 的同时获得同时裂纹延伸的条件将确保扩展的裂纹具有最强的趋 势来沿裂开面扩展。这种优化的条件组将允许进行低剂量或零剂量 的裂开面操作，甚至允许通过M和P的控制的受控深度引导作为 在裂纹延伸期间获得的实际裂开深度的函数。根据本发明实施方式 获得了这种降低的剂量或无剂量的条件以及对于裂开深度的控制， 并且还有一些其他重要益处。
在模型中使用的坐标系
为了量化各种构造，限定坐标系具有沿X方向(指向右侧的正 X)的裂开面，沿Y方向(指向上方向的正方向)的膜厚度，并且 Z的正方向是离开纸面的。该坐标系用在有限元分析(FEA)编码 中。可从Canonsburg，Pennsylvania的Ansys，Inc.获得的软件(下文 中称为AnSys软件)用于对裂纹扩展系统进行建模，并且包括与界 面的粘着区域模型(CZM)相互作用的热和机械部分(部件，part)。 CZM编码使得能够确定所施加的应力和力矩将扩展断裂所处的条 件。
将图2中的构造输入AnSys软件，其中该分离起始的膜是朝向 左侧的。结果总结在以下部分中，并且这些结果表明不同的加载(P 和M)构造产生的KII取消作用。
力矩施加条件
施加于膜的力矩将膜弯曲离开衬底的剩余部分。这样的弯曲将 产生倾向于破碎膜的KI和KII条件。如果使用纯力矩(P＝0)，则 KI和KII将根据力矩值而改变，但是，将具有-cos(ω)/sin(ω)或-0.78 的(KII/KI)恒定比率，这是因为ω是不变化的，其值为52.07度。 该比率被限定为应力强度的复合比，并且其值确定了用于扩展前部 在厚度(Y方向)改变的趋势。因此，在复合比(咬住膜)中，力 矩施加是负的，并且正比于如由裂纹尖端所经历的膜的弯曲。
存在将力矩施加于膜的稳定、亚稳定、和不稳定方法。下文总 结主要构造。
恒位移加载
在离开裂纹尖端特定距离处施加于膜的恒定位移被认为是稳 定的加载构造，这是因为任何裂纹延伸将降低所施加的力矩。增加 位移以再次加载裂纹尖端，并且可以恢复扩展过程。在预裂开膜下 方的某点处沿X和Y两个方向用于发展固定距离的刀片或其他装 置将产生恒定的位移加载。
恒力加载：
在离开裂纹尖端特定距离处施加于膜的恒定力被认为是不稳 定的加载构造，这是因为任何裂纹延伸将降低所施加的力矩。这将 通常导致未受控的裂纹延伸，因此不是优选的加载构造。
恒定力矩加载
利用如这里所述的特定构造可以产生加载在膜上的恒定力矩。 该构造的一个优点是该系统在无需主动帮助的情况下保持期望的 力矩加载的能力。如果在施加第二加载的情况下发生裂纹延伸，则 例如，该系统将持续被相同的力矩加载。如果选择力矩超过材料的 断裂强度，则避免这种构造，因为可发生不受控的裂纹延伸。
可以稳定地或亚稳定地或以动态方式地(诸如共振或不共振地 超声波刺激膜)施加膜弯曲力矩。在所有的情况下，根据本发明的 特定实施方式，赋予裂纹尖端的力矩加载M被设计成根据设计要点 利用超声波运动、位移和力来增加KI和KII应力强度因子，以使 得沿期望的裂开面进行受控裂纹扩展。
如果裂开面的引导是充分的(高ΔKII-和ΔKII+)，则将没有理由 将P加到构造上，并且沿期望的裂开面的阈值裂纹延伸是可能的。 如果ΔKII-和ΔKII+足够高以抵抗该力矩加载构造的-0.78的固有 KII/KI复合比，则将会发生这种情况。在硅中这种情况不会自然发 生，但是当具有优化的裂开面时，这可以是充分的加载构造以完成 膜分离。
利用压力和限制板的恒定力矩加载实例
根据特定实施方式，位于衬底上方的板可以用于限制在裂开工 艺中分离的膜的运动。具体地，限制板的存在用来降低当使用第二 加载时在裂开期间的面内剪切模式分量(KII)。
在特定实施方式中，可以与从侧部施加的压力源相结合地应用 根据本发明的限制板，以完成膜从衬底的裂开。图3A示出了本发 明这种实施方式的简化示意图。
具体地，限制板400设置在衬底或板404的前表面402上方， 该衬底或板的后表面406支撑在盘(未示出)上。限制板400与下 面的衬底分离距离Wo。将压力410(例如从气体喷射器)施加于衬 底404的侧部，导致预分离的膜412推开远离剩余衬底并赋予恒定 力矩加载。在此过程中，通过存在板400来限制膜412的移动。
图3B示出了利用根据本发明实施方式的这种限制板由裂开所 产生的膜应力的模拟结果。图3B中的视图示出了具有5mm长度 和50μm的厚度的预分离膜，该预分离的膜通过利用几psi的压力 而被向上移动(扩大)并抵靠限制板。压力将膜朝向位于表面上方 的限制板移动。这里，在建模中使用了50μm的间隔(Wo)。
由图3A的构造提供的优点在于其简单性以及相对容易地产生 扩展断裂所需的应力。使用限制板而赋予的益处在于，无需刀片来 执行裂开。可替换地，如果将限制板与位移形式的裂开结合使用(例 如，刀片)，则刀片上的摩擦力可以降低到任意低的数值。
根据本发明的限制板的实施方式可以利用诸如真空力或静电 力的力来吸引和保持裂开的膜。在特定的实施方式中，限制板可以 是多孔的，使得可以供应正压力以形成支撑被吸引的裂开膜的空气 支撑面，从而当裂开进行通过衬底时使得衬底/限制板相对于彼此平 移。
有关图3A的构造(以及其他力矩加载构造)的一个问题是其 高的负KII复合比。这可易于咬住(卡住)膜。
在该构造中，等式(9，10)的P和M如下：
P＝0(无应力沿X方向赋予膜)
(11)M＝p*c2/(4*k)
其中，M是每宽度的力矩，因此具有力的量纲，而不是力*距 离。P是在膜下方赋予的压力差，而c是在膜与限制板分离所在的 点到裂纹尖端之间的距离。
等式(11)的因子k是可以根据限制板与膜之间的摩擦而改变 的参数。如将示出的，本发明实施方式的很许多基本要素与k无关。
不同压力加载构造具有可以被计算的相应的k。未限制的膜(无 顶板)将具有k＝1/2，同时圆形气泡的膜将具有k＝2。使用限制板， k取决于膜被固定到限制板上的方法。假设膜仅沿Y(竖直)方向 被限制并且无摩擦，则AnSys软件的模拟示出了k因子是约sqrt(2)， 因此这将用在等式的推导中。在KII＝0的关系中，k因子不发挥作 用，因此由1到1.5的不同k因子引起的任何误差将被认为是很小 的。
KI和KII等式(9，10)由此转换成等式(12，13)：
(12)KI＝61/2*p*c2*sin(ω)/(4*k*h3/2)
(13)KII＝-61/2*p*c2*cos(ω)/(4*k*h3/2)
再次，KII/KI复合比将与压力无关，并且因此膜将由于高的负 KII而倾向于以合理的几何形状而折断。
裂纹将延伸时的压力p为：
(14)p＝[16*k2*E’*γ’*h3/(3*c4)]1/2
假设k＝sqrt(2)，未注入的硅，c＝3.3mm(经历压力P的裂纹 长度)，以及h＝50μm，则临界压力P是约52kPa，约0.5个表压力。
利用AnSys软件进行的模拟已经证实了，利用上述参数，裂开 扩展在约51kPa下发生。因此对于应力强度因子建模和预测裂纹延 伸的开始，该等式被认为是相当精确的。
AnSys软件还用于提取模式I(裂纹开口)和模式II(面内剪 切)裂开能量，这里分别被指定为D1和D2。具体地，在CZM去 键合(裂开)时提取这些裂开能量。该被提取的数据可以显示出 KII取消方法的功效。
为了测试AnSys软件，利用位移和剪切裂开加载来与只有M 和只有P的裂开构造的封闭形式的方案(解，solution)进行比较。 在所有的模型中，裂开能量是2.4J/m2，杨氏模量是187GPa，热扩 散系数是2.5ppm，以及泊松比是0.272。
在仅有力矩的测试中，利用5mm膜的500μm的位移来测量 裂开能量D1和D2。图3描绘了作为裂开区域的质心距离衬底突出 边缘的距离(以μm为单位)的函数的几个数值。图4示出了约0.6 的复合比，以及约2.2J/m2的总裂开能量(D1+D2)。与期望的值 0.78相比，该略微低的复合比数值是在模型中使用的薄底部硅的结 果。当底部硅的厚度增加时，复合比渐近地提高到数值0.78。
在仅有P的测试中，热剪切裂开测量裂开能量D1和D2。图4 描绘了作为区域的质心距离衬底突出边缘的距离(以μm为单位) 的函数的几个数值。图5示出了约2的复合比，并且裂开能量为约 2.2J/m2。与对于纯剪切裂开的期望的值2.2相比，该略微低的复合 比值是在模型中使用的薄底部硅的结果。当底部硅的厚度增加时， 复合比渐近地提高到数值2.2。
通过位移加载的裂开扩展
根据特定实施方式，可以通过位移加载来引发裂开，在裂开期 间沿远离衬底表面的方向在膜上拉到特定距离。这样的裂开方法的 实例利用了将刀片插入以在裂开期间将膜拉离衬底。在这样的实施 方式中，P＝0且M＝Fw*c，其中Fw是每单位宽度(进入纸的方向) 的力，而c是距离施加载荷的裂纹尖端的裂纹距离。
在这些加载参数下，KI和KII等式为：
(15)KI＝61/2*Fw*c*sin(ω)/h3/2
(16)KII＝-61/2*Fw*c*cos(ω)/h3/2
裂开所需的力通过以下等式与γ’相关：
(17)Fw＝[E’*h3*γ’/(3*c2)]1/2
负KII意味着裂纹将倾向于向上偏离，在利用该构造企图向上 弯曲膜的过程中折断膜。
在一个实施方式中，50μm的相对厚的刀片(裂开硅膜的块) 能够在被推到部分裂开的膜下方时延伸裂纹。该实验涉及大约2-3 ×1016cm-2的注入剂量水平。观察到2mm延伸，但是被插入的块(物 体，piece)以结合与膜的方式结束，并且无法在之后被移动。由于 该结合对于表面摩擦、刀片厚度和其他参数非常敏感，因此这种技 术可以有效，但是这么做没有获得KII＝0的益处。换句话说，在没 有KII取消的情况下，刀片或其他形式的位移裂开将更大程度地依 赖于较弱的裂开面或裂开面压缩应力以补偿该构造中的非零的 KII。
利用超声波方法用于破坏静摩擦/结合的薄类金刚石碳(DLC) 涂覆的刀片可以使得能够利用刀片技术。当尖端区域被沿已经裂开 或开始区域向内推动时，通过机械刀片施加声能，并将其传输到尖 端区域。在一个实施方式中，可以利用超声能量源或宏观声能源 (megasonic energy source)来产生声能，该能源可操作地耦合于机 械刀片。到达尖端区域的声能可以导致在裂开前部或尖端区域附近 的半导体衬底材料的超声波刺激(ultrasonic excitation)。当尖端区 域向前推动裂开前部时，这样的超声波刺激有效地加速了键合断开 过程。因此，在施加声能的帮助下，裂开作用可以是更加有效和生 产性的。还可以提高机械刀片的寿命，这导致了进一步成本节约。 利用压力帮助还可以降低刀片方法的结合力。
膜应力施加条件(P加载)
在特定的示例中，仅有力矩的加载不足以提供通过大面积的可 靠的膜裂开，并且KII剪切应力强度因子的减小是必须的。存在将 膜应力赋予裂纹尖端的不同方法，使得KII减小或被取消。这里还 开发出了热方法，其他方法是可以的，诸如在剪切模式中应用超声 波能量，或通过沿膜(X方向)机械地产生力。
基于来自力矩加载的负复合比，热加载(热负荷，热载荷)ΔT 必须具有正确的符号，以使KI增加而KII降低。等式9和10表明 这种情况将在以下条件下发生：(i)如果在裂纹前(在膜厚内仍旧 是附接的)赋予快速冷却；(ii)在裂纹尖端后在分离的膜上施加动 态加热，其中条件(i)可以单独使用或与条件(ii)结合使用。这 些构造看起来是相同的，如在裂纹尖端前在裂纹尖端区域上通过膜 拉动，这与在裂纹尖端后在裂纹尖端区域上通过膜推动是等效的。
两个构造都将产生出正确符号的载荷(P)，但是在裂纹尖端前 部被附接的或在其后部被分离的膜之间的差异将导致在用于施加 载荷的方法中的显著不同。这里，P是沿膜的每单位宽度的作用力， 而小写(p)是在恒定力矩加载构造中处于膜后面的压力。
使用热冲击的裂开
根据特定实施方式，可以通过在膜层中由热差导致的应力的作 用而实现裂开。具体地，将衬底暴露于冷却(冷冲击)可以导致膜 的裂开。如果冷却量由于低温是困难的，则在施加冷冲击之前相对 较长时间的加热(热浸)可以有助于增加热对比(热差，thermal contrast)。可替换地，在裂纹尖端后的膜的冲击加热将在特定条件 下产生用于前移裂纹所需的应力。在此部分的后面将更详细地总结 两种P加载构造。
将用于热诱导膜应力的条件结合到KI和KII等式中如下：
M＝0
(18)P＝σth*h
认识到通过材料中温度变化而产生出αCTE*E*ΔT大小的热应 力函数，其中热扩散系数是αCTE，该等式变为：
(19)P＝αCTE*E*h*ΔT
其中ΔT是经受热处理的膜与被连接材料之间的温差。
将热诱导应力代入等式(9，10)中，得到用于KI和KII的以 下等式：
(20)KI＝αCTE*E*h1/2*ΔT*cos(ω)/sqrt(2)
(21)KII＝αCTE*E*h1/2*ΔT*sin(ω)/sqrt(2)
注意到KII之前没有负号。
仅有热的裂开能量等式可以推导如下：
(22)G’＝2*γ’＝1/2*αCTE2*E*h*ΔT2*(1-υ2)
根据本发明的特定实施方式，可以结合正热KII和负力矩KII 的作用，以产生裂开扩展技术，该技术使得同时获得G’＝2*γ’(或 任何合适的阈值裂开能量条件)和KII＝0的条件。
具有冷冲击的压力加载(恒定M)(未裂开膜的冷冲击加载)
在该实施方式的实例中，利用：
(23)P＝αCTE*E*h*ΔT(在裂纹尖端的前方pf处从膜到衬 底的冷源(散热片，thermal sink))
(24)M＝p*c2/(4*k)(具有压力源和限制板的恒定力矩 加载)
用于KI和KII的等式变为：
(25)KI＝αCTE*E*h1/2*ΔT*cos(ω)/sqrt(2)+sqrt(6)*p*c2 *sin(ω)/(4*k*h3/2)
(26)KII＝αCTE*E*h1/2*ΔT*sin(ω)/sqrt(2)-sqrt(6)*p* c2*cos(ω)/(4*k*h3/2)
同时满足两个条件(i)G’＝2*γ’和(ii)KII＝0的这些等式的 求解将温差通过以下方式耦合于压力：
(27)αCTE*E*h2*ΔT*sin(ω)/sqrt(2)＝61/2*p*c2* cos(ω)/(4*k)
利用第二条件2*γ’＝KI2/E’，临界受控裂开条件可以计算如 下：
(28)ΔT临界＝[2*γ’/(αCTE2*E*h*(1-υ2)*1.323)]1/2
并且为确保这些条件而待选择的临界压力是：
(29)p临界＝4*αCTE*ΔT临界*E*h2*sin(ω)/(61/2*c2* cos(ω))
对于限制板与衬底表面之间的距离(Wo)是50μm的情况， p临界是大约41kPa，低于仅有压力的裂开所具有的约50kPa。临界 温度载荷是-183℃(冷却)。
KII取消条件可以被理解为如下用于50μm硅膜以及置于表面 上方50μm的限制板。在一种方法中，将41kPa的压力载荷施加于 膜，导致膜弯曲，并且在裂纹尖端上施加大约0.0808N-m的力矩。
在未裂开侧上，靠近裂纹尖端施加-183℃的热冷却。当施加热 加载时，KII降低同时KI增加，直到达到断裂能量条件并且裂纹延 伸。由于在条件KII＝0时也发生延伸，所以裂纹将沿裂开面延伸一 点或没有移动离开裂开面的净趋势。
如果超过热加载，则附加能量具有很小的效果或没有效果，以 改变KII＝0的条件，这是因为裂纹将以非常高的速度延伸，是材料 中的声速的约20-40％。对于硅，这是约1.5mm/μs至约4mm/μs。 任何附加能量仅冷却已经裂开的膜材料。
图6A描绘了在42kPa的施加压力下裂开能量与温度微分 (temperature for differential)的关系曲线。
利用AnSys软件对结合的压力/热裂开模型进行建模，并且该 模型呈现了预期的功能性。具体地，假设未注入的硅层作为最坏的 情况，则AnSys软件模型已经利用以下参数运行了：
Wo＝50μm    限制板
起始裂开膜的长度＝5mm
h＝50μm
假设使用了热加热和冷却源。
这种特别的裂开方法被建模成二维稳定结构分析，其具有稳定 压力和瞬时热温度分布作为输入负载。观察到，对于KII＝0裂开扩 展所需的ΔT热加载是-183℃，非常接近预计的闭合形式的解。
为了实现相对大的冷却瞬时，热浸(2ms加热到300℃)接着 30μs冷却瞬时的结合用于产生期望的热加载。
在没有任何加热源的情况下，KII/KI复合比可以高至-0.779。 如根据模型计算的，将压力设置在预计的42kPa。在施加来自所施 加的气体喷射器的全温度负载和压力(大约6PSI)的情况下，起 始膜被向上推抵靠到限制板，并且产生出3.3-3.5mm的有效长度 (c)，向下至非起始膜。图7示出了在热加载之前不久的全负载压 力。
为了使得加热瞬时避免导致G’达到或超出裂开断裂能量，使用 了长的热加热浸透。该长浸透在加热周期期间保持裂开面的顶部与 底部之间的低温差。对于300℃的顶部温度，假设具有2ms的浸透 时间(保温时间，裂化时间，均热时间)。图8A示出了对于第一区 域的2ms浸透时间结束时得到的热分布。
图8A的热分布清楚地示出了通过膜的相当恒定的竖直剖面。 因为相对于大约30μs的膜的热时间常数，相对慢的温度倾斜 (ramp)，所以在断裂面中产生出不充分的KI和KII，并且膜裂纹 并不延伸。
接着，如图8B所示，引入快冷却瞬时以便在膜中产生出拉伸 应力分布，从而将需要的热应力赋予到系统中。利用在表面上即时 施加0℃温度在30μs内形成拉伸应力，从而产生-300℃的热载荷。 该短时间确保了在裂开面的仅一侧上在几乎整个膜厚(h)中出现 拉伸应力，并且因此产生出足够的力P以超过裂开断裂能量。与 183℃的阈值相比，过大的值还将用来确认该过程利用倾斜热源获 得KII消除的能力，该倾斜热源超过阈值断裂能量值。
注意到，利用这种热构造，冷却瞬时的施加必须发生在小于膜 热时间常数的时间尺度。对于50μm硅膜，例如，时间常数是约h2/Dth 或大约36μs(Dth是大约0.7cm2/s的硅热扩散率)。可以利用具有 足够传递特性的低温液体、固体或气体的流来施加冷冲击。干冰霜 (CO2)或液氮是冷冲击源的两个实例。可替换地，通过适当地预 加热块状体(brick)可以松弛(延缓)(加长)冷冲击时间常数， 以引起期望的有效温差。
图8B示出了在施加该冷却瞬时之后的热分布。膜拉伸应力的 有利热分布导致期望的KII＝0条件。
利用所施加的42kPa压力，一旦存在充足的拉伸应力，则在 KII＝0时发生裂纹扩展。对于这里建模的更复杂的热分布，p和温 度的分布可能是必须的，以利用实际方法进行加热和冷却，从而匹 配能量和KII裂开条件。
控制所发生的裂开，并且该裂开呈现了双步骤裂开进程，其中， 加热周期不扩展裂开。短暂的冷却瞬时导致裂纹前部扩展至下一区 域。图9A-9D示出了通过AnSys软件建模的加热/冷却裂开序列。 剪切应力图清楚示出了裂开位置和裂纹尖端。注意到，加热周期示 出了下部正剪切，这表示缺少可以用于扩展的裂开能量。
这种类型的热载荷的施加可以进行通过热载荷序列的后续扫 描(scanning)，以扩展裂开并且将膜的逐渐更大的部分分开。因此， 恒定力矩加载的优点在于，在施加期望的力矩之后，扩展将力矩保 持在期望的数值上，而与裂开前部的位置无关。
图10描绘了在线性标度上的几个数值，其作为从该区域的质 心到衬底的突出边缘的距离(以μm为单位)的函数。图10示出了 与以上图5的非温度(P＝0)的结果相比较的KII的一阶减小。图 10示出了KI现在是对于裂纹能量的主要的应力强度贡献者，其中 D1几乎等于裂开能量2*γ’或2.4J/m2。复合比KII/KI和D2非常 低，因此证实了消除构造的作用。
如模型中所示，裂开快速且可控地进行通过每个区域。虽然后 面的区域的长度是250μm，但是这可以增加而无需降低裂纹行为， 只要压力保持为使得裂开前部扩展并且使得断裂体积增加。
根据特定的实施方式，对于热浸/冷冲击源的扫描可以使得裂开 前部继续扩展。例如，如果利用10ms来覆盖250μm的材料长度， 则在大约6秒内可以裂开156mm的板。这假设了在板的宽度上施 加了热和压力加载，并且以约2.5cm/s的速率进行线性扫描。
虽然上述实施方式描述了通过施加恒定压力结合重复施加热 冲击而执行裂开，但是这不是本发明所必须的。根据特定的实施方 式，可以改变所施加压力的大小，以获得期望的裂开特性。
热加热冲击裂开
在裂纹尖端前代替冷却热冲击，可以在裂纹尖端后在膜上施加 加热冲击。为了使得热冲击在该构造中有效地产生P，在通过使得 膜移动离开裂纹尖端区域而形成扩张(expansion)的力学松弛前， 热的施加产生了冲击波(shock)。
与其中热冲击时间与膜的热时间常数相联系的冷却构造相比， 以与膜材料的声学时间常数同阶的时间标度来施加膜加热构造。因 此在100纳秒至几微秒的子范围内，以非常短的时间间隔来施加快 速加热，这取决于热冲击的宽度和其与裂纹尖端的接近程度。
为了实现阈值裂纹扩展条件(ΔT＝183℃)，例如，在50μm 硅上，250ns内，需要大于6MW/cm2的功率密度。在硅的绝热加 热状况下，这是非常高的功率密度。
为了避免沿硅膜的深度产生热应力，其可以导致凹陷形式的损 坏、表面熔化、膜碎裂和裂纹，因此体积加热优先于表面加热。电 子束(E束)加热是施加这种加热的良好的备选技术，因为它可以 体积地加热膜的一部分(裂开或未裂开)。
还可以通过下面的一般特性高度地控制E束。E束使得束以高 可控性和速度在大面积上进行扫描。E束使得对于束强度和直径(微 米至厘米尺寸)进行精细控制。E束使得对于从纳秒至CW的脉冲 进行控制。E束通过改变电子束能量(keV至MeV，对应于从几微 米至几厘米的束穿透范围，参见图11)对于加热深度进行控制。
因此，通过选择束直径、束能量和束强度可以容易地控制束的 功率通量(power flux)，同时通过束能量来选择穿透范围。例如， 50μm电子束在硅中的穿透是约80keV，而0.5mm束直径250ns 内将需要200mA的束强度脉冲。可替换地，利用被充分迅速扫描 的CW束可以进行脉冲束处理。例如以上，所需的束扫描速度是0.5 mm/250ns或200,000cm/s。上述特性中的大部分(如果不是全部的 话)可以在用于精确真空焊接和材料改性应用而建立的本系统中被 获得。例如，来自Pavac Industries，Inc.(Richmond，B.C.Canada www.pavac.com)的e束系统以及其他系统可以用作绝热加热源。
E束将在KII取消构造中控制裂纹尖端的扩展。E束技术也可 用于引发膜的第一区域，以及可以在纯剪切条件下裂开。下面描述 这些方法。
利用KII取消而控制裂开深度
保持对于膜厚的精确控制不仅对于获得高度均匀的膜是重要 的而且对于避免裂开失效也是重要的。KII取消配置(scheme)提 供了通过调整作为有效深度控制反馈的函数的被施加的力矩进控 制扩展裂开深度的固有能力。
等式25和26描述了KI和KII应力强度因子如何随着所施加 载荷而变化。p的升高将增加M，因此导致当裂开更加朝向表面扩 展时延伸裂纹变浅。相反地，较低的p将需要更多的热能来实现断 裂条件并将裂纹移动到更深的位置(deeper)。因此，通过调整压力 p可以进行对于深度的控制，同时裂纹扩展以获得期望的深度。这 说明了利用此技术，降低剂量或甚至无剂量的扩展是可以的。
用于KII＝0之外的其他裂开构造的适用性
虽然上面已经关于压力裂开和结合热冲击的使用而描述了实 施方式，但是这不是本发明所必须的。根据可替换的实施方式，可 以改变裂开序列，使得ΔKII-和ΔKII+因子特别高，并可以有效地引导 断裂扩展经过整个裂开序列。在这样的实施方式中，单一加载能量 源(压力或热)可以利用非零KII驱动裂开。在这样的实施方式中， 脉冲(时间变化)压力或扫描热/冷却源的使用仍然赋予裂开扩展中 的可控制性。例如，激光加热源可用于产生-P1力，以产生剪切支 配(shear dominant)(KII支配)裂开条件。可以通过裂纹尖端前的 硅材料的加热以及通过在裂纹尖端后直接加热膜且允许热传导以 便进一步加热具体裂纹尖端区域而注入激光能量。虽然应力强度复 合比将有利于朝向表面的裂纹扩展，但是由于加热过程的原因，膜 压缩将有助于阻碍在膜内的扩展以及沿裂开面的力剪切支配扩展。
热冲击技术在膜起始中的应用
以上与允许最低总剂量膜裂开过程相关地描述了图案化注入 的使用。在所提出的过程序列(工艺序列，process sequence)中， 在较高剂量区域上进行膜起始，以便在宽度上部分地释放几毫米的 膜。这种被部分地释放的膜又可以用来在KII取消下或通过膜扩展 的其他方法而扩展裂开的平衡(balance)。
E束技术、激光或闪光灯(flashlamp)技术可以用于将膜从衬 底分离。E束技术可以特别地适合于这一目的，这是因为能够调节 能量范围以使得在靠近衬底边缘的起始区域中膜温度体积地升高。 脉冲能量在膜厚度内将随着时间沉积，几乎恒定的温度升高ΔT， 其中温度分布的急剧变化被调节成位于裂开面处或附近。
图13示出了通过E束暴露的硅的这种绝热加热，其描绘了对 于一段时间内的E束辐射的能量密度与进入硅中的深度的关系，其 中在膜体积中出现了一些温度平均。根据本发明的特定实施方式， 由绝热E束加热所引起的温度梯度的急剧变化可以包括大于 10℃/μm的变化。
例如，250ns脉冲将仅将热分布散开约5μm，基本上小于膜厚 度。这将产生剪切裂开，该剪切裂开将限制在膜厚度范围上出现热 冲击，并且产生可以可控地裂开膜的较大剪切。起始裂开可以在边 缘处开始，并且延伸成覆盖期望的膜宽度，以支持扩展裂开方法。 可替换地，起始裂开将在内部位置处开始，然后延伸至周边。如果 使用内部起始裂开，则真空环境将通过降低膜褶皱(buckling)所 需的能量而有益于裂开过程，这是因为没有任何合适的压力产生针 对向上膜移动的恢复力。
热冲击技术在膜扩展中的应用
与恒定体积加热特性相结合的强烈热冲击脉冲也将用于使得 膜从起始区域扩展。尤其是利用E束技术，可以均匀加热膜厚度的 快脉冲施加能够通过纯剪切裂开或者在力矩的帮助下实现膜的受 控扩展。在美国专利第6,013,563中描述了E束技术在膜裂开中的 应用，该专利通过引用方式整体结合于此，用于所有的目的。根据 本发明的特定实施方式，可以沿垂直于衬底端面的方向施加E束辐 射。
通过选择更高能量或更低能量的e束可以进行E束体积加热的 匹配(范围端部或Rp)。可以选择E束能量以使得其Rp是大约待 裂开的膜的厚度，虽然在实际中，裂开深度的有效控制可以在裂开 深度与Rp之间具有一些偏移。
在这里特别有益的是使用E束辐射，这是因为可以调节能量范 围以使得在裂纹尖端附近的扩展区域中膜温度体积地升高，但是这 仅在未裂开的区域中。脉冲能量在膜厚度内沉积，几乎恒定的温度 升高ΔT，其中温度分布的急剧变化被调节成位于裂开面处或附近。
例如，250ns脉冲仅将热分布散开约5μm，基本上小于膜厚度。 这将产生剪切裂开，该剪切裂开将限制在膜厚度范围上出现热冲 击，并且产生可以可控地裂开膜的较大剪切。
为了量化该状况(方式，regime)，KI和KII等式26和27可 以被改变为p＝0，并且产生以下关系：
(30)KI＝αCTE*E*h1/2*ΔT*cos(ω)/sqrt(2)
(31)KII＝αCTE*E*h1/2*ΔT*sin(ω)/sqrt(2)
仅有热的裂开能量等式可以推导如下：
(32)G’＝2*γ’＝1/2*αCTE2*E*h*ΔT2*(1-υ2)
对于KII剪切裂开，在h上的所需热加热因此是：
(33)ΔT＝[4*γ’/αCTE2*E*h*(1-υ2)]1/2
作为一个实例，具有1.2J/m2的50μm的硅层将需要大约300℃ 的接近同时的温度升高。假设大约0.7J/cm2-℃，则在硅表面上所需 的能量沉积为约2.44J/cm2。利用具有0.5mm×0.5mm射束点和250 ns束脉冲宽度的80keV的E束脉冲，例如，对应于大约300mA 的束强度。这在目前的E束技术中是很好的。
如果增加力矩，则G’等式被改变成：
(34)G’＝2*γ’＝1/2*αCTE2*E*h*ΔT2*(1-υ2)+6*(1-υ2)* M2/E*h3
该等式表明力矩的使用是附加的并且将降低实现裂纹延伸条 件所需的温度ΔT。
AnSys软件用于确认该裂开扩展模式。图12A-12C示出了50 μm硅膜裂开FEA静态结构模拟。在图12A中，力矩M＝0.08N-m 被施加在开始膜上(在第一500μm膜部分上)。开始在膜上的正温 度倾斜，并且导致膜的褶皱剥离。图12C示出了裂开扩展至加热区 域的端部。
在0.08N-m的力矩的情况下，通过等式35计算的扩展开动ΔT 是180℃。这与176℃的AnSys值非常吻合。相反，当没有力矩时， 该值为约300℃。这些结果表明，褶皱膜剥离(由力矩帮助或没有) 是实用的裂开构造。
在这种模式中使用E束加热方法将是有益的，这是因为快速绝 热加热将给出锐利的压缩应力分布，这可以有助于引导扩展裂开。 还可以通过改变E束能量以及由此改变经受体积加热的膜厚度来控 制裂开深度。
还对被加热区域宽度的选择进行确认，以产生对于裂开延伸的 控制。被加热区域的宽度将一阶地指示将在加热周期中发生的裂纹 延伸的量。这是因为在裂开前部已经到达被加热裂开区域的边缘之 后，G’将下降并且扩展裂开将停止。
最后，与注入裂开层结合使用的任何加热技术将有助于更有效 地使用注入诱导的应力。这将通过更高的温度而发生，进而又增加 注入应力(通常正比于kT)。因此，加热脉冲将对于裂开面具有其 次的有益效果，增压裂开面中的应力，以便更好地引导裂开扩展。
如果裂开扩展作用发生并且断裂能量G’至少部分地包括所储 存的正力矩能量的释放(例如，具有位于膜的底部的压缩层的氢裂 开面)，则真空环境将有益于裂开过程。具体地，真空环境将允许 更有效释放能量，这是因为将没有任何合适压力产生出针对向上膜 移动的恢复力。例如，如果热剪切裂开模式被采用，则使用真空还 将倾向于降低负KI应力强度，已知该应力强度潜在地增加断裂韧 性(有效断裂能量G’)。值得注意的是，无需高真空条件，并且甚 至多个Torr(托)的部分真空就可以显示出这种效果。
裂开过程的继续将最终导致厚膜沿裂开区域完全离开半导体 衬底的剩余部分。在一个实施方式中，具有新暴露的表面区域的该 剩余部分处于重复裂开方法的条件下，其中重复裂开方法是通过再 次执行裂开起始和扩展方法而进行的。
可以选择较低表面能量的裂开面作为用于半导体衬底的表面 区域。因此，在实施方式中，在一个厚膜离开衬底之后，新表面平 面将基本上处于初始晶面中并处于良好的条件下，其具有用于附加 层转移产生的相对小的表面粗糙度，且无需如蚀刻或抛光的复杂表 面处理。
当然，可以具有其他改变、更改和替代。根据实施方式，这些 工艺可以用于形成光伏电池、集成电路、光学器件、它们的任何组 合，等等。
在裂开中M2/P2和M3/P3的考虑
返回图2，等式(6)再次复制如下：
$\left(6\right),G^{\prime }=\frac{1}{2\bar{E}}[\frac{P_1^2}{h}+12\frac{M_1^2}{h^3}+\frac{P_2^2}{H}+12\frac{M_2^2}{H^3}-\frac{P_3^2}{h+H}-12\frac{M_3^2}{{(h+H)}^3}]$
在该等式(6)中，在设计工艺中也可以考虑3至6项，以实 现期望将膜从诸如板或衬底的工件裂开。
例如，可以在裂开期间以多种方式来施加力P2、M2、P3、和 M3。根据特定技术，可以将板固定在适当位置，同时在板中进行产 生拉伸和/或压缩应力的过程。
在特定实施方式中，通过夹住板的端部而将板固定在适当位 置。在这样的实施方式中，夹具可以接合存在于板侧部的凹口或凹 槽。这样的凹口或凹槽可以是为此目的在板中被有意地加工的。
在其他实施方式中，通过从下方固定板，例如通过静电或真空 卡盘，可以将板固定在适当位置。在另外的其他实施方式中，可以 从底部和侧部固定板。在这些实施方式中，板/衬底M和P项的有 效产生将需要夹持或固定方法，以使得产生或控制P2、M2、P3和 M3中的一个或多个。
可以采用多种技术中的任何一种以在板中产生期望的拉伸和/ 或压缩应力。例如，如图14所示，一种方法是将板1402夹持在适 当位置，同时将力(F)直接施加于板的一个或多个边缘。该方法 可以在板中直接产生力矩M2和M3(以及相关的P2和P3)，其具有 足够的大小以显著地影响等式(6)。
另一方法是产生充分强度的局部温度梯度，其在板中的各种深 度处的膨胀差异引起必需的应变。图15中示出这样的方法，其中， 通过施加激光束1504而在被夹的板1502中产生局部热梯度1500。
如图15所示，热梯度1500距离发生裂开的前部的点C足够远， 使得来自激光(激光器，laser)的温度本身并不影响裂开能量。更 具体地，来自热梯度的能量没有适当地影响等式(19)的项P的大 小。相反，能量通过应力和力矩一直耦合至裂纹，所述应力和力矩 是由位于距离裂纹尖端一定距离处的激光引起的加热体积所产生 的。
然而，由于施加的激光，所以处于板的不同深度处的材料经历 了不同量的热扩散。热膨胀相对于深度的这种差异进而可以引起压 缩应力，该压缩应力的大小足以产生影响等式(6)的力矩M3。
虽然图15的实施方式示出了通过向板的顶部表面施加激光而 产生热梯度，但这不是必需的。根据其他实施方式，可以通过施加 其他形式的能量(诸如电子束)而产生期望强度的热梯度。而且， 能量可以施加于板的其他表面，包括侧面或底面。而且，施加于板 的能量无需被限制成具有局部效果的单一源。根据其他实施方式， 板的温度的整体增加(诸如顶部表面或底部表面的脉冲加热)可以 部分地或全部地有助于裂开前部的起始和/或扩展。
用于产生力矩M2/M3以实现裂开的另外的其他方式是通过施 加声能。图16和图17中示出了这样的方式的一些实施方式。
图16示出了一种实施方式的简化示意图，其中，转换器1600 通过介质1604与板1602隔开。来自转换器1600的声能1606经由 介质1604而施加于被夹住的板1602，所述介质可以是空气，但可 替换地可以包括液体或其他气体以增加声能至板的耦合。
冲击板的声能通过板引起振动。在所施加的声能的特性(即， 频率、波长)与板的谐波匹配的情况下，可以在板中快速地建立共 振能(resonant energy)。
图16示出了这样的振动。具体地，如该图所示，冲击板的声 能通过板引起振动，包括部分分离的膜、位于部分分离的膜的下面 的部分、以及还未被裂开的板的部分。这样的振动又形成正和负的 力矩(分别是M1、M2和M3)，它们可以具有足够的大小以影响裂 开。而且，所建立的这种能量尤其容易出现在通常是裂开的靶的固 体结晶材料中，这是因为这些固体结晶材料通常呈现大的共振品质 (Q)(quality)。
板中的谐波的检测是简单的。如图16所示，可以将麦克风 (microphone)1610布置成与板1602接触或处于板1602附近。来 自麦克风的输入可以被输入至包括处理器1616的主机1614，该处 理器1616与计算机可读存储介质1618通信。
控制器1612扫描由转换器(transducer)发射的声能的频率。 通过利用麦克风发射具有特别高强度的声音来显示所施加的声能 频率与板的谐波匹配。可以通过在显示器1622上显示的峰值1620 中的一个来指示这样的特别高强度的声音，该显示器1622与主机 1614电通信。
虽然图16示出了其中转换器通过介质声音地耦合至板的实施 方式，但是这不是必需的。在可替换的实施方式中，为了引起裂开， 转换器可以与板直接物理接触。
而且，虽然图16示出了其中声能被全面地施加于板的实施方 式，但是这也不是必需的。例如，如图17的可替换实施方式中所 示，转换器1700可以小于板1702，并且被定位成仅向板的一部分 直接施加声能。在一些实施方式中，转换器可以被构造成移动经过 板的表面，以在推进裂开前部处或前方提供声能。
力矩和力M2/M3和P2/P3的产生可以被选择为静态形式(方式， fashion)(夹持或弯曲)，或振动形式(诸如，利用声转换器或超声 波转换器)，在其方式中，局部裂纹尖端应力强度KI和KII被调节 成降低、抵消、或控制KII。因此，这些外力和力矩不仅可以将能 量添加至裂纹尖端，而且如果被适当选择的话，还可以有助于将扩 展控制在期望的裂开面中。例如，以+M2和-M3弯曲板、或以脉冲 形式加热板底部将产生有助于取消KII的+KII分量。
虽然上述描述集中在热冲击的施加，其利用了将热能局部施加 于表面，接着局部冷却该表面，但是这不是必需的。在特定实施方 式中，通过全面施加热能或冷却中的一种或两种，可以实现期望的 条件。并且，在特定实施方式中，热能和/或冷却可以施加于除了表 面之外的位置，例如，晶片的背面或晶片的侧面。而且，在特定实 施方式中，无论是否主动施加负热能还是热通过衬底材料被动耗散 和/或进入周围环境中，可以采用仅冷却来获得期望的结果。
虽然以上是对具体实施方式的全面描述，但是可以使用各种更 改，替换序列和装置。例如，虽然以上结合限制板而描述了使用真 空力来剥离裂开面，但这不是必需的，并且可以使用静电力。根据 可替换的实施方式，在没有限制板的情况下可以采用真空力或静电 力，以当裂开前部前移时吸引裂开膜使其离开剩余衬底。
图18示出了简化流程图，其示出了根据本发明实施方式的采 用声能来实现裂开的过程(process)1800的步骤。在第一步骤1802 中，将板固定至支撑件，诸如卡盘或侧夹具(side clamping)。在第 二步骤1804中，将被固定的板设置成与转换器声通信。在第三步 骤1806中，将麦克风设置成与板通信。在第四步骤1808中，在一 范围内扫描由转换器发射的声能的频率。在第五步骤1810中，麦 克风用来在被扫描的频率范围上检测衬底的声音发射分布。在第六 步骤1812中，声音发射分布中的峰与固定的板的谐波相关联。在 第七步骤1814中，转换器被构造成发射声能，该声能具有的频率 已知是与被固定的衬底的一个或多个谐波相关联的，以便促进膜从 衬底的裂开。
虽然以上已经描述了使用被选择的步骤序列，但是可以使用所 描述步骤中任何要素的任何组合以及其他的序列。另外，根据实施 方式可以组合和/或消除特定的步骤。
根据可替换的实施方式，被注入以形成裂开区域的离子粒子的 类型可以从氢离子变化成氦离子、氘离子、或特定组合，以使得形 成裂开区域。
更进一步地，裂开过程可以包括温度控制/帮助的裂开，其利用 了真空夹持或静电夹持过程(chucking process)。当然可以存在其 他改变、更改、和替代方案。
因此，还可以理解的是，这里所描述的实例和实施方式仅是用 于示例的目的，并且本领域技术人员根据本发明将会想到各种更改 或变化，并且这些更改和变化被包括在本申请的精神和范围以及所 附权利要求的范围内。