CN1866474A - 薄膜的分离方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过向基片中注入离子来制造半导体材料薄膜的方法,所述基片包括至少两种不同元素,其中一种元素至少可以通过与其自身或与杂质结合形成气相,所述方法包括如下步骤:(1)用离子轰击基片的一个表面,以便注入足够浓度的非气体重物种的离子,用于在基片中建立一个包含有由该基片的元素形成的气相的微孔洞层;(2)将该基片的该表面与一个加固件紧密接触;和(3)通过应用热处理和/或分离应力,在微孔洞层处引发断裂。

Description

薄膜的分离方法
背景技术及技术问题
从文档US-5 374 564中已经了解到一种制备半导体材料薄膜的方法包括如下步骤:
1.用离子轰击基片的一个表面,以便注入足够浓度的离子,从而产生一些微气泡,这些微气泡形成一些微孔洞,从而界定出一个脆弱层;
2.将该基片的该表面与一个加固件紧密接触;并且
3.通过应用热处理,在微孔洞层处实现断裂。
在该文档中,步骤1中注入的离子是氢离子,但同时也指出,也可以采用氦或其它稀有气体类型的轻离子。至于基片,在所考虑的例子中,它是由硅构成的,但同时也指出,该基片也可以由门捷列夫(Mendeleiev)周期表的第IV族半导体构成,例如锗、碳化硅、或硅-锗合金。
在该文档中,断裂是通过热处理获得的,不过随后在该方法的变型中又提出了通过这种热处理和/或一种分离应力(例如,往两个基片之间插入一个薄片,和/或加入拉力和/或弯曲力和/或剪切力,或施加适当选择了功率和频率的超声波或微波)来引发断裂。
可以注意到:该方法涉及一个由来源于气体物种的微孔洞形成的脆化层,并且,在实践中,注入的是轻离子。不过,注入轻离子的优点在于可以容易地注入到有意义的深度,但另一方面却是这些离子只能在材料中产生很少的缺陷,因此必需大量注入(典型的剂量为高于1016,甚至1017)以便引起足够的脆化。
此外,从S.O.Kucheyev、J.S.Williams、S.J.Pearton发表在材料科学与工程期刊2001年第33卷第51至107页的文章《往GaN中注入离子》(《Ion implantation into GaN》,Materials Science andEngineering,33(2001)51-107),或从C.Liu、B.Mensching、M.Zeitler、K.Volz、B.Rauschenbach发表在美国物理学会的物理评论B的1998年第57卷第4号第2530至2535页的文章《液氮温度下GaN中的离子注入:结构特征与非结晶化》(《Ion implantation in GaN atliquid-nitrogen temperature:Structural characteristics andamorphization》,Physical Review B,The American physical Society,1998,Vol 57,N°4,pp.2530-2535)中了解到往GaN中注入Au或Ar离子有多种优点,尤其是容许往基片中的适当界定的深度注入适当确定的杂质;尤其,可以因此实现精确掺杂和进行精确容量的电绝缘,或者局部促成适当夹杂(inclusion)的形成。不过,已经进行了一些用来描述由这种注入所诱发的损伤的研究,以便确定如何消除它,或者至少是将它降低到最低限度。
事实上,往GaN中注入金离子所引起的一个效果就是产生与微孔洞的形成相关联的晶体紊乱,这些微孔洞是一些氮气“气泡”,这些气泡来源于基片的氮原子的聚集。被注入的离子在其途中引发该基片的一连串的原子位移。这一连串的碰撞在基片中引起化学计量的失衡:最重的元素(在GaN的情况下,即Ga)在较浅处过剩,而较深处则富含更轻的元素N。在被注入的离子质量大的情况下,这个效果越发显著。
本发明的目的就是利用这一不利因素。
发明内容
更确切地说,本发明目的在于利用往基片(该基片包括至少两种元素,其中至少一种元素可以形成气相)中注入一种非气类重物种所引起的损伤,以便使该基片断裂成一个薄层和一个剩余基片。
值得注意的是,尽管前述文档US-5 374 564中所描述的技术已经多年为人所知(包括在关于往如GaN这样的基片中注入Au离子的研究之前),却没有人认识到这种注入所引起的损伤可以利用到断裂的作用上来。
这可以由如下事实来解释:由注入非气体物质所产生的孔洞不包含被注入的离子,而是包含在其上实施注入的基片的构成元素所形成的分子,这与文档US-5 374 564(或探索该方法的变型的文档)的讲述根本不同,在这些讲述中,在微孔洞中发现的气相(当其存在时)是由被注入的离子形成的。
此外,没有什么让专业人士认为气体(这些气体被包含在由注入非气体物种所引起的微孔洞中)的量,可以足够用来使热处理或施加机械应力引发断裂。
另外,所观察到的由于注入Au离子而导致的损伤被描述为在体积上分布并消散(例如从该基片的自由表面至几百纳米深度),从而没有什么使得专业人士能猜想在热处理或应用机械应力的情况下,这种损伤仍然足以用来局部地脆化该基片并促成足够适当界定的断裂,以便随后形成一个有用的薄层。
换句话说,本发明是基于如下事实:往一个包括至少两种元素(其中一种可以形成气相)的基片中注入一种非气体重元素还可以导致一种断裂,这种断裂与在文档US-5 374 564中首次描述的技术中所观察到的类似。重元素是指原子质量大于20,甚至40,甚至100的物质。
因此,本发明提出一种通过往任何包括至少两种不同元素的基片中注入离子来制备半导体材料薄膜的方法,其中至少一种元素可以通过与其自身或与杂质(残余的或引入的)结合形成气相。例如,该方法可以应用到如下基片:GaN,GaAs,a-Si:H,金刚石......
本方法包括如下步骤:
1.用离子轰击基片的一个表面,以便注入一种足够浓度的非气体重离子,用于在基片中产生一个包含由基片的元素形成的气相的微孔洞层;
2.将该基片的该表面与一个加固件紧密接触;和
3.通过应用热处理和/或分离应力(例如,往两个基片之间插入一个薄片,和/或加入拉力和/或弯曲力和/或剪切力,或施加适当选择了功率和频率的超声波或微波)在微孔洞层处引发断裂。
因此,根据本方法,与文档US-5 374 564中所描述的方法相反,在步骤1中所注入的离子不是气体物种:被注入的离子是任何类型的非气体重离子(Au,W,Si,Ag......)。在被注入离子的质量大的情况下,由该注入引起的化学计量的失衡就越发有效:被注入离子的质量越大,断裂所需的剂量就不须太大。
根据本方法的一个变型,在步骤1之后,可以得到一个微孔洞区,这个微孔洞区从表面一直延伸到表面下几十、甚至几百纳米的深度。因此,在注入之后,获得一个由“结构化”材料构成的表面膜,它由基质(初始材料)和微孔洞(没有任何物质,即英文的“真空(Void)”)构成,即多细孔材料。还可以得到一个由基质和由杂质离子和/或初始材料元素形成的沉淀物构成的结构化材料。这类结构化材料可以具有比初始材料更有利的光学和/或电气和/或机械特性(例如,如同多孔硅与硅相比)。然而,看来,甚至在该微孔洞区域从表面一直延伸到一定深度的情况下,仍然可以在一个给定的深度引发断裂。事实上,总存在一个微孔洞的密度和/或尺寸最大的深度,或微孔洞区域与基质之间的应力最大的深度。这个深度界定了断裂区域;考虑到专业人士在来自文档US-5 374 564的技术方面的经验,为获得这种断裂而定义操作条件完全是他们力所能及的。
可以在注入之后实施热处理,以便通过扩散/复合来促成微孔洞的转化,和以便增加气相的压力。
在引发断裂之前,由结构化材料构成的表面膜可以随后被粘合到一个加固件上(步骤2)。在微孔洞层处,引发断裂的步骤3。微孔洞层的局部化和宽度依赖于被注入离子的性质、注入参数(能量、剂量、温度......),以及可能的断裂温度处理,这都是专业人士没有特别困难就能掌握的参数。因而,根据实验条件,该结构化膜可以整个地或部分地转移到加固件上。
因此,本发明的总方法可以单独地或综合地具有如下有利特征:
-基片是氮化物(这导致由于注入而在基片中形成氮);一个具有特别实际意义的实例是氮化镓,
-基片是砷化物,一个具有特别实际意义的实例是砷化镓,
-基片是氢化物(这导致由于注入而形成气态氢);一个具有特别实际意义的实例是氢化非晶硅α-Si H,
-基片基本上由碳构成,并包含一定比率的、比如氢这样的残余杂质(原子%量级的量);涉及到例如金刚石,
-注入的离子是重金属离子;注入金离子这本身已是为人熟知的,但根据本发明还可以注入其它离子,比如钨、银、硅、铯。
-作为变型,注入的离子是非金属重离子,比如铒、硒、铋,
-被注入离子以介于1012cm-2和1016cm-2之间的剂量、分别以介于2MeV和40keV之间的能量注入,尤其根据被注入离子的质量和材料调整剂量。
-用简单热处理引发断裂,
-通过至少施加一个分离应力(有时还补充一个热处理)来引发断裂;尤其,可以通过在两个基片之间插入一个薄片,和/或通过拉力和/或弯曲力和/或剪切力,或通过具有确定功率和频率的超声波或微波来施加这个应力。
实施例1
在第一实施例中,一个晶体GaN(70Ga14N)基片在如下条件下被注入Au离子:能量=2MeV,剂量=1016cm-2。因此获得具有受控特征(尺寸=十几个纳米;深度:从表面直至表面下400nm;气泡最大尺寸:250nm左右)的球状微孔洞(N2气泡)。因此形成了多细孔GaN,这种材料具有比GaN更有利的光学和/或电气和/或机械特性。然后,通过分子粘合力将该多细孔GaN粘合到一个加固件(例如蓝宝石)上。例如,为此将在注入以前在该GaN基片上准备一个SiO2层。蓝宝石基片也装备有一个SiO2层。于是着手进行化学机械抛光及与基片进行接触。
一个适当的热处理或退火步骤(温度介于200至1100℃之间)容许注入后得到的各个原子和/或物类扩散,和/或将孔洞置于压力之下,以便使孔洞增长。这种微孔洞的增长引起应力以及一些微孔洞之间的聚结,从而导致基片从微孔洞处断裂。
所得到的层的厚度为100至400nm。
实施例2
在第二实施例中,一个纤维锌矿类型的晶体GaN(70Ga14N)基片在如下条件下被注入Au离子:能量=300KeV,剂量=6×1014cm-2。因此获得具有受控特征(尺寸=几十个纳米;深度:直至表面下50nm;孔洞最大密度在表面20nm以下)的透镜状微孔洞,其大小与密度随被注入的剂量而变。于是可以对一个被如此结构化和脆化的GaN基片采取通过分子粘合作用而与硅加固件紧密接触的步骤。单独地或者伴随着(例如预先采取的)热处理步骤的薄片插入操作就引起GaN基片在微孔洞区域处断裂。本方法例如可以被应用到在硅上制作“结构化的”GaN薄膜,该薄膜由断裂之后在加固件上留下的基片部分构成。
实施例3
往一个GaAs基片中注入钨,然后进行高于450℃的退火热处理。
实施例4
往一个α-Si-H基片中注入钨。

Claims (16)

1.一种通过向基片中注入离子来制造半导体材料薄膜的方法,所述基片包括至少两种不同元素,其中一种元素至少可以通过与其自身或与杂质结合形成气相,所述方法包括如下步骤:
(1)用离子轰击基片的一个表面,以便注入足够浓度的非气体重物种的离子,用于在基片中建立一个包含有由该基片的元素形成的气相的微孔洞层;
(2)将该基片的该表面与一个加固件紧密接触;和
(3)通过应用热处理和/或分离应力,在微孔洞层处引发断裂。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于:选择离子种类和注入条件,使得微孔洞层一直延伸到基片表面。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法,其特征在于:基片是氮化物。
4.根据权利要求3的方法,其特征在于:基片是氮化镓。
5.根据权利要求1或权利要求2的方法,其特征在于:基片是砷化物。
6.根据权利要求5的方法,其特征在于:基片是砷化镓。
7.根据权利要求1或权利要求2的方法,其特征在于:基片是氢化非晶硅。
8.根据权利要求1或权利要求2的方法,其特征在于:基片是金刚石。
9.根据权利要求1至8的方法,其特征在于:被注入的离子是重金属离子。
10.根据权利要求9的方法,其特征在于:被注入的离子是Au、W、Ag、Si或Cs离子。
11.根据权利要求1至8中任意一项的方法,其特征在于:被注入的离子是Er、Se、Bi离子。
12.根据权利要求1至11中任意一项的方法,其特征在于:被注入离子以介于1012cm-2和1016cm-2之间的剂量、分别以介于2MeV和40keV之间的能量注入。
13.根据权利要求1至12中任意一项的方法,其特征在于:用简单热处理引发断裂。
14.根据权利要求1至13中任意一项的方法,其特征在于:通过至少施加一分离应力来引发断裂。
15.根据权利要求14的方法,其特征在于:通过在两个基片之间插入一个薄片和/或加入拉力和/或弯曲力和/或剪切力来施加分离应力。
16.根据权利要求15的方法,其特征在于:通过适当功率和频率的超声波或微波来施加分离应力。
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