厚膜材料劈開工程中の温度制御装置および温度制御方法
【課題】厚膜材料製造中における温度制御の方法および装置を提供する。
【解決手段】温度制御装置１００は、注入され続いて劈開されるバルク材料１１０を支持する平面１２２を有するステージ１２０を備え、バルク材料は表面領域１１２、側部領域１１７、および底部領域１１８を有する。装置はさらに、バルク材料とステージの界面領域を通じて熱エネルギーの移動をするためにバルク材料が平面と接触する一方で表面領域が露出されるよう構成された機械的クランプ装置１３０と、表面領域の温度値を測定し、入力データを生成するセンサ装置１５０と、バルク材料の表面領域の一つまたは複数の部分に複数の粒子を注入する注入装置と、少なくともステージの平面とバルク材料の底部領域の間の界面領域を通じて表面領域の温度値を上昇および／または下降させるよう入力データを受信し、処理する制御装置１６０とを備える。
【解決手段】温度制御装置１００は、注入され続いて劈開されるバルク材料１１０を支持する平面１２２を有するステージ１２０を備え、バルク材料は表面領域１１２、側部領域１１７、および底部領域１１８を有する。装置はさらに、バルク材料とステージの界面領域を通じて熱エネルギーの移動をするためにバルク材料が平面と接触する一方で表面領域が露出されるよう構成された機械的クランプ装置１３０と、表面領域の温度値を測定し、入力データを生成するセンサ装置１５０と、バルク材料の表面領域の一つまたは複数の部分に複数の粒子を注入する注入装置と、少なくともステージの平面とバルク材料の底部領域の間の界面領域を通じて表面領域の温度値を上昇および／または下降させるよう入力データを受信し、処理する制御装置１６０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は全ての目的で全体を参照としてここに援用する２００７年１月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／８８６，９１２号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は概して、材料を製造する方法および装置を含む技術に関する。より詳しくは、本方法および装置は、シリコンインゴットなどバルク形態の材料から自立厚膜を劈開するための温度制御を含む。このような自立厚膜は太陽電池などの光起電材料として有益である。しかし、本発明の実施形態はより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体素子、光素子、圧電素子、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、半導体基板製造、生物学および生物医学装置などの３次元パッケージングなど、他の応用にも適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
太古から、人間はほとんど全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、および様々な形態の熱エネルギーによってもたらされる。単なる例であるが、人間は需要の大半を石炭やガスなどの石油資源に大幅に頼っている。残念なことに、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。単なる例であるが、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。
【０００４】
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ホールを形成する。用途によるが、太陽電池は効率を向上させるために集光素子を集積している。例としては、日射を活性光起電材料の一つまたは複数の部分に導く集光要素を用いて太陽光を集め焦点を合わせる。効率的ではあるが、これらの太陽電池は未だに多くの制限がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単なる例であるが、太陽電池はシリコンなどの出発材料に依存する。このようなシリコンは大抵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。これらの材料は大抵製造するのが困難である。ポリシリコン電池は大抵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。これらのポリシリコンプレートはコスト効率の良い方法で形成することができる一方、太陽エネルギーを捕集し、捕集した太陽エネルギーを使用可能な電力に変換することにおいての最高効率は示さない。反対に、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示す。しかし、このような単結晶シリコンは製造するのが高価で、有効でコスト効率の良い方法で太陽光を利用する用途に使うことは困難である。特に、太陽電池に組み込むために単結晶シリコン基板を製造する技術は、当初に成長した単結晶シリコンインゴットから単結晶シリコン厚膜の分離を必要とする。
【０００６】
上述のことから、太陽電池を含む集積回路装置の応用のための自立厚膜を製造する改良された技術が望まれていることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施態様は概して、シリコンインゴットなどバルク形態の材料から自立厚膜（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｉｃｋ ｆｉｌｍｓ）を劈開（ｃｌｅａｖｉｎｇ）する間の温度制御の方法および装置を含む技術に関する。このような自立厚膜は太陽電池などの光起電材料として有益である。しかし、本発明にはより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体素子、光素子、圧電素子、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、半導体基板製造、生物学および生物医学装置などの３次元パッケージングなど、他の応用にも適用することができる。
【０００８】
厚さが１５μｍ以上の半導体材料の自立厚膜は、所望の表面温度でイオン種の注入（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を活用したバルク材料から劈開（クリーブ（ｃｌｅａｖｅ））される。ある実施形態では、劈開には、機械的クランプ装置を用いて温度制御されたステージ上でシールを介してバルク材料を着脱自在に保持し、その後、劈開領域を作るためにイオンなどの粒子を第１の低い温度で注入し、次に劈開領域の応力を高めるためにイオンなどの粒子を第２の高い温度で注入することが含まれる。他の実施形態では、温度制御されたステージと前記バルク材料の底部の間のシールは圧力調整可能にガスを充填することのできる薄いキャビティを形成する。さらに別の実施形態では、薄いキャビティのガス圧を調整することにより、バルク材料の表面から底部への熱伝導や、さらに注入のための表面温度が制御される。特定の実施形態では、バルク材料の底部はバルク材料の取り付けと取り扱いを容易にすることができる熱的および機械的アダプタ板に接着される（例えば熱伝導性の接着剤または熱伝導性のエポキシを使う）。特定の実施形態では、アダプタ板は断面がバルク材料より僅かに大きいか、小さいか、または同じサイズである。特定の実施形態によれば、アダプタ板は他のバルク基板に再使用できる。結果として生じた劈開された単結晶シリコンなどの半導体材料の自立厚膜は、特に太陽エネルギーの収集に使うのに適している。
【０００９】
具体的な実施形態では、本発明は厚膜材料製造の温度制御装置を提供する。この装置は注入されるバルク材料を支持するための平面を備えるステージを有する。前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有する。前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は、前記底部領域と前記表面領域の間に規定される長さを持つ材料の体積を提供する。この装置はさらに、熱エネルギーが前記バルク材料と前記ステージの平面領域間の界面領域を通じて熱エネルギーが移転するよう前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域が実質的に露出するよう、前記バルク材料の底部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を有する。そのうえ、この装置は表面領域の温度を測定するよう構成されたセンサ装置を有する。このセンサ装置は入力データを生成するように構成される。さらに、この装置は前記バルク材料の表面領域の一つまたは複数の部分に複数の粒子の注入を行うように構成された注入装置を有する。さらに、この装置は、前記入力データを受信し、少なくとも前記ステージの平面と前記バルク材料の底部領域との間の前記界面領域を通じて前記バルク材料の表面領域の温度値を上昇および／または下降させるよう前記入力データを処理するように構成された制御装置を有する。
【００１０】
別の具体的な実施形態では、本発明は一つまたは複数の厚膜を製造するためのバルク材料を取り付ける装置を提供する。この装置は前記バルク材料を支持するための平面を備えたステージを有する。前記バルク材料は、平坦化された表面領域、平坦化された端部領域、および前記表面領域から前記端部領域までの長さを持つ側部領域を有する。この装置はさらに、前記表面領域と前記表面領域から少なくとも７０％の長さの前記側部領域が実質的に露出され、一つまたは複数の厚膜の製造のためにクランプ装置の干渉無しに劈開できるよう、前記バルク材料の平坦化された端部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を有する。
【００１１】
さらに別の具体的な実施形態では、本発明はバルク材料から複数の自立厚膜を劈開する工程中の温度制御方法を提供する。この方法は劈開する前記バルク材料を用意することを含む。前記バルク材料は、表面領域、底部領域、前記表面領域から前記底部領域までの長さを持つ側部領域を有する。さらに、この方法は、前記底部領域と平面との間にある高さを有するキャビティを形成するよう、前記バルク材料の底部領域がシールを介してステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク材料をクランプすることを含む。この平面は前記キャビティに充填されたガスを圧力調整可能にする複数のガス通路を有する。この方法はさらに入力データを生成するために前記バルク材料の状態を検知することを含む。この入力データには前記表面領域および前記底部領域での温度情報、および前記表面領域と前記底部領域間の前記バルク材料の長さが含まれる。さらに、この方法は、少なくとも前記入力データを処理し、前記表面領域を加熱するための粒子照射と、前記表面領域を加熱するための放射と、前記底部領域と前記ステージ間のガスを補助に用いる伝導のうち少なくとも一つまたは複数を利用した制御方式を実行することで前記表面領域の温度を維持することを含む。
【００１２】
また別の具体的な実施形態では、本発明は厚膜転写のために半導体材料を処理する方法を提供する。この方法はバルク半導体材料をステージの平面に設けることを含む。前記バルク半導体材料は、表面領域、側部領域、および底部領域を有する。前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は、前記底部領域と前記表面領域の間で規定される長さを有する材料の体積を提供する。前記底部領域は前記ステージの平面に結合する。そのうえ、この方法は、前記バルク材料と前記ステージの平面領域間で熱エネルギーの移動が生じるよう前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域は実質的に露出されるよう、前記バルク材料の底部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク半導体材料を固定することを含む。さらに、この方法は、前記表面領域が実質的に露出されて前記機械的クランプ装置により前記ステージの平面に保持される間に前記バルク材料の表面領域を処理することを含む。
【００１３】
さらに別の実施形態では、本発明はバルク材料から自立膜を連続的に劈開する方法を提供する。この方法は機械的クランプ装置を用いてバルク材料をステージに固定することを含む。前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有する。前記表面領域は前記側部領域に接続し、体積を規定するよう前記側部領域から約９０度の角度に向けられる。前記機械的クランプ装置は前記底部領域が前記ステージにしっかりと係合するよう前記バルク材料の底部領域および／または側部領域と結合するように設けられる。さらに、この方法は、前記表面領域の法線方向の物理的障害が実質的に何も無いように前記表面領域を保持することを含む。この方法はさらに、前記表面領域が前記表面領域の処理からの物理的干渉が実質的に何も無い間に少なくとも前記表面領域を処理することを含む。そのうえ、この方法は前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することを含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、表面領域と対向するバルク材料の底部領域は、アダプタまたはインターフェース板を介して熱的および機械的に接触することができる。前記バルク材料は、温度制御ステージに取り付けられた板の対向面で、このようなアダプタ板に接着剤または他の手法を用いて固定される。アダプタ板の特定の実施形態では、クランプ取付も可能になる。このような実施形態では、クランプ取付を用いた前記アダプタ板は前記バルク材料を直接クランプする要件を排除し、前記バルク材料を前記底部領域近くで劈開することを可能にすることによりバルク材料の利用率を改善する。
【００１５】
本発明の実施形態によるアダプタ板の利用はまた、前記バルク材料の底部領域の平坦化の許容範囲を好適に緩めることもでき、したがってコストを削減することができる。例えば、特定の条件下でインゴットの底部は僅かに凹凸があるようにできる。しかし、この凹凸は前記アダプタとサセプタ間のアタッチメントによって埋め合わせることができる。特に、前記アダプタは前記インゴットを位置調整するためのピンまたはシートを有し得る。
【００１６】
具体的実施形態において、前記バルク材料と接触する前記アダプタ板の側部は、シール部材の一部を受容するように構成された凹部領域を有し得る。このようなシール部材は、適切な材料（例えばデュポンパフォーマンスエラストマー（ＤｕＰｏｎｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ Ｌ．Ｌ．Ｃ．）製のカルレッツ（Ｋａｌｒｅｚ）（商標））から作られたＯリングとすることができ、前記アダプタ板の端部領域の近傍に配置される。特定の実施形態では、接着剤を前記端部領域の内部領域内に塗布することができ、前記Ｏリングは接着材料を前記内部領域に密封し保持する。
【００１７】
特定の実施形態によれば、電気伝導性が前記アダプタ板と前記バルク材料の間に与えられる。シーティングピンまたは他の型の接続装置はＯリング内に規定された前記内部領域内、または特定の実施形態でのＯリングの無いチャックの内部領域内に、空間的に配置することができる。このようなシーティングピンは前記バルク材料を前記アダプタに電気的および機械的に結合することができる。
【００１８】
本発明の実施形態を利用して既存の技術に対して多くの利点を得ることができる。特に、本発明の実施形態は、コスト効率の良い線形加速器装置および層転写技術のための高エネルギー注入プロセスを提供する方法を用いる。このような線形加速器装置には、ドリフト管技術、一般にＲＦＱと呼ばれる高周波四重極型、またはこれらの組み合わせ（例えば、ドリフト管リニアックまたはＲＦＩ（ＲＦ収束インターデジタル（ＲＦ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ））線形加速器と組み合わされたＲＦＱ）、および他の適切な技術が含まれるが、これに限定されるものではない。線形加速器装置の例は同一出願人による米国仮出願第６０／８６４５８４号に見ることができ、全ての目的で参照としてここに援用する。好適な実施形態において、本方法および装置はドナー基板の劈開面によって画定される転写可能な材料の層を形成する。この転写可能な材料の層は光起電性素子、３次元ＭＥＭＳまたは集積回路、ＩＣパッケージング、半導体素子、これらの任意の組み合わせなどの応用のための高品質半導体材料を提供するためにさらに処理される。好適な実施形態では、本方法は特に高効率の光電池のための単結晶シリコンを提供する。好適な実施形態では、本方法および構造は低初期ドーズのエネルギー粒子を使うので、これは工程を費用効果が高く効率的にすることを可能とする。加えて、本方法および構造は大面積基板の製造を可能にする。本発明は、所望の形状の薄いシリコン材料板（例えば、５０μｍ−２００μｍの厚さでサイズが１５ｃｍ×１５ｃｍから１ｍ×１ｍ以上までのポリシリコンプレート）を作ることに応用できることがわかるであろう。代替の好適な実施形態では、本発明の実施形態は、さらにヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層を提供することができるシード層を提供することができる。前記ヘテロ構造エピタキシャルプロセスは特に薄い多接合光電池の形成に使うことができる。単なる例であるが、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ層をゲルマニウムシード層にヘテロエピタキシャルに蒸着することができ、これは本発明の実施形態の注入工程を用いて形成した転写された層である。具体的実施形態において、本方法は単一のインゴット、例えばシリコンブールから連続的に複数のスライスを劈開することに適用できる。つまり、具体的実施形態に従ってこの方法は連続的にスライスを劈開することを繰り返すことができる（一塊の焼いたパンから薄切りを切るのに類似する）。好適な実施形態において、本発明は機械的および熱的な用途のためにバルクシリコンインゴットを固定するためのクランプおよび／または保持装置および関連した方法を提供する。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００１９】
これらのおよび他の利点は本明細書を通じてより詳しくは以下に記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は概して、材料を製造する方法および装置を含む技術に関する。より詳しくは、本方法および装置は、シリコンインゴットなどバルク形態の材料から自立厚膜を劈開するための温度制御を含む。このような自立厚膜は太陽電池などの光起電材料として有益である。しかし、本発明の実施形態はより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体素子、光素子、圧電素子、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、半導体基板製造、生物学および生物医学装置などの３次元パッケージングなど、他の応用にも適用することができる。
【００２１】
ここで使われる「バルク材料」の語は、大部分均一な自立する単結晶またはポリ結晶材料の塊、例えば単結晶シリコンブールまたはその一部分を示す。あるいは、本特許出願の目的から、「バルク材料」の語はまた、一または複数の追加要素を結合させた大部分均一な単結晶またはポリ結晶材料、例えば以下に記述される様々なアダプタ板の実施形態、そして、このようなアダプタ板を大部分均一な単結晶またはポリ結晶材料に固定するために使用される任意のＯリングや他の要素を示す。
【００２２】
１５μｍ以上の厚さを有する半導体材料の自立厚膜は、ＭｅＶのエネルギーレベルでイオン種の注入を利用したバルク材料から劈開することができる。一つの実施形態では、劈開には、劈開領域を作るためにイオン粒子を第１の低い温度で注入し、次に劈開領域の応力を高めるためにイオン粒子を第２の高い温度で注入することが含まれる。この方法でのバルク材料の劈開は、歯またはワイヤーカットのカーフで従来失われる半導体材料の量を実質的に削減する。結果として生じた単結晶シリコンなどの半導体材料の劈開された自立厚膜は、特に太陽エネルギーの収集に適している。
【００２３】
以下の開示のために、「自立厚膜」は、ハンドルや転写基板などの支持部材と接触するおよび／または支持部材の機械的支持を必要とすることなく、その構造的完全性を保持できる（つまり、砕けたり粉々に壊れたりしない）材料の膜として定義される。通常は、薄膜（例えば５−１０μｍ以下の厚さを有するシリコン膜）は壊すことなく扱うことができない。従来、このような薄膜は支持構造を用いて扱われるが、そもそも薄膜を作る必要がある。厚膜（例えば１５−５０μｍの厚さを有するシリコン膜）の扱いは支持の使用によって容易になるが、このような支持は必須ではない。したがって、本発明の実施形態は１５μｍ超の厚さを有するシリコンの自立厚膜の製造に関連する。
【００２４】
１５０μｍまでの厚さの自立厚膜を、イオン注入によって作られた劈開領域から制御された劈開工程によってうまく分離することを確実にするために、具体的実施形態に従ってバルク材料の行き届いた温度制御を行うことが望ましい。特に最適温度制御は、注入および劈開工程中の一つまたは複数の熱源および／または熱出力のシンクをバランスさせることにより達成することができる。温度制御についての詳細は、本明細書を通じて、特に以下に詳述される。
【００２５】
大抵の熱出力管理が関連するのは、具体的実施形態のＣＷ（定常状態）熱出力である。ＣＷ出力フラックスソースおよび／またはシンク（ｓｉｎｋ）は次の一つまたは複数であり得る。（ｉ）高熱伝導率の裏面接触、つまりガス層界面領域を介した加熱または冷却、を介してバルク材料と適切に係合する平面を備えた温度制御されたステージ、（ｉｉ）バルク材料体積中に電流を流すことによるＩＲ加熱源（電磁誘導加熱源）、および（ｉｉｉ）上方から表面を加熱するための投光照明または他の適切なＣＷ放射源、およびこれらの任意の組み合わせ。もちろん、当業者の中には他の変形形態、修正形態、代替形態を認識する者もいるであろう。
【００２６】
具体的実施形態において、これらのＣＷソースまたはシンクの目的は、できるだけ正確かつ素早く、劈開領域と劈開領域を覆うシリコン層で規定される、バルク材料の処理領域を所望の範囲に設定することである。これらの熱源（ソース）またはシンクは、処理領域の所望の全温度プロフィールを達成するために、表面およびバルク温度測定を通じて電子制御装置を介して制御することができる。もちろん、当業者の中には他の変形形態、修正形態、代替形態を認識する者もいるであろう。
【００２７】
追加の熱出力ソースは、具体的実施形態によれば、注入照射自体である。従来の注入装置は５０−１００ｋＷのビーム出力を照射下の表面に届けることができる。これは、注入による劈開領域形成中の実質的な追加の加熱源である。劈開領域は基本的に、注入された高エネルギーイオン粒子の範囲端（Ｅｎｄ−ｏｆ−Ｒａｎｇｅ）（ＥＯＲ）近くに位置する劈開面周辺の比較的集中した欠陥のネットワークを含み、注入された粒子の運動エネルギーは部分的に熱エネルギーに変換される。この熱源は走査ＣＷまたはパルス熱源になり得、注入装置のデューティファクタや走査速度や粒子ビームの空間的特性を調整することにより部分的に制御することができる。ビーム拡大は、高速電磁スキャニングにより起こり得るが、ビームが所望のビーム直径およびビーム束の空間的分布に自然に広がる距離を越えたビームのドリフトを通じても起こり得る。
【００２８】
出力フラックスが十分小さい場合、拡大ビームの低速走査（または走査すらしない）は表面を過熱することがない。小さいビーム直径、例えば５ｃｍ（これは各タイル内にパターン化した注入ドーズ特性を生成するのに便利である）では、出力フラックスは５−１０ｋｗ／ｃｍ2まで高くなり得、表面の過熱を避けるために磁気または静電気の高速スキャンが必要になる。注入の放射は具体的実施形態による他の形態のエネルギーと組み合わせることもできる。
【００２９】
さらに、具体的実施形態において、表面はまたパルス熱出力フラックスを通じて処理することができる。パルス出力はここでは特定の材料および劈開される膜厚に依存する熱時定数内に届けられる熱パルスとして定義される。例えば、典型的なシリコン処理領域では、時定数は２０−５０μｓｅｃと推定される。より長い熱パルスは疑似ＣＷ（ｑｕａｓｉ−ＣＷ）であり、上述のＣＷソースとして組み合わされる。パルス出力フラックスソースは、フラッシュランプおよび３０−５０μｓｅｃ内にエネルギーがデポジットされるパルスレーザソースを含む。これらのソースにより届けられる熱パルスは、瞬間的に処理領域を必要に応じてバルク材料の融点までそして融点を超えて加熱することができる。
【００３０】
この処理によって意図される効果は劈開エネルギーを低くするよう形成中の劈開領域に剪断応力を加えることである。より具体的には、注入ＥＯＲ内の熱伝導率が非常に低下するので、劈開面を横切って温度差が発生する。この温度差は劈開面を横切る材料間のＣＴＥ（熱膨張係数）の不釣り合いと対応する剪断応力を生じさせる。この剪断応力は、ステージ上のバルク材料を保持する方法により存在する内部応力とシリコンの変位応力などの他の応力に加わる。
【００３１】
この応力は（劈開面のＸ−Ｙ表面に沿う）面内応力であり、劈開面が加熱された場合、応力は圧縮面内応力である。これらは、ポアソン比（シリコンは約０．２７）を乗じた面内応力に比例する量の面外引張応力を順に発生する。この応力値は次の関係によって定量化される。
（数１）
ｓ＝ＥａΔＴ
ここでｓは劈開領域を横切る応力、Ｅはヤング率、ａは熱膨張係数、ΔＴは劈開領域を横切る温度差である。Ｐaの熱出力フラックス密度（Ｗａｔｔｓ／ｃｍ2）を仮定すると、次の関係が保たれる。
（数２）
Ｐa＝κcrΔＴ／ｔcr
ここで、κcrは劈開領域の有効熱伝導率、ｔcrは劈開領域の厚さである。膜を横切る応力はさらに次の式で表すことができる。
（数３）
ｓ＝（ＥａｔcrＰａβ）／κbulk
ここで、βはバルク材料に対する劈開領域の伝導率減衰係数である。したがって、この応力値は、出力フラックスＰaによって決定され、注入ＥＯＲ損傷の量に依存する係数βに関する減衰した熱伝導率にしたがって増加する。例えば、バルク材料がシリコンの場合、βは１００位の大きさである。
【００３２】
剪断応力を増加させるためのパルス出力フラックスを用いた処理は、劈開工程を促進するために必要な注入ドーズを効果的に低減することができ、同時にバルク放射欠陥のアニールを促進する。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００３３】
図１は本発明の実施形態による厚膜材料の製造のための温度制御装置の略図である。この図は単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、修正形態、代替形態を認識するであろう。図１に示したように、温度制御装置１００は、ステージ１２０、機械的クランプ装置１３０、注入装置１４０、センサ装置１５０、および制御装置１６０を備える。平面１２２を有するステージ１２０は、劈開されるバルク材料１１０を支持するために使われる。注入され劈開されるバルク材料１１０は、劈開面１１５と分離されていないシリコン材料１１３の上を覆う膜とから成る処理領域を含む表面領域１１２、側部領域１１７、底部領域１１８、表面領域１１２から底部領域１１８までで規定される長さ１１１によって特徴付けることができる。処理用のバルク材料についてのさらなる詳細は後述する。
【００３４】
図１に一つの実施形態を示したように、ステージ１２０の平面１２２は、機械的クランプ装置１３０を用いて、バルク材料１１０の底部領域１１８と係合する。機械的クランプ装置１３０によるクランプは、バルク材料の（表面領域からの）長さ１１１の少なくとも７０％の側部領域１１７だけでなく表面領域１１２も実質的に露出し、一つまたは複数の自立厚膜の製造をするために劈開される状態になるよう、着脱可能に作用する。例えば、いくつかの実施形態による任意選択のクランプ機構が図２Ａ−２Ｆに示される。ある実施形態では、ステージ１２０と機械的クランプ装置１３０を、ステージの平面１２２と平行な平面内で２次元的に動作可能なトレイ１７０に取り付けることができる。他の実施形態では、ステージ１２０は、一つのＣＷ出力フラックス源またはシンクとしてバルク材料の温度制御に使われる。バルク材料の底部領域とステージの平面間の高熱伝導率のガス層界面領域を介して係合されるバルク材料の底部領域１１８を加熱または冷却することにより、ステージ１２０は劈開工程中の表面領域１１２からの熱フラックス１４８の交換が可能となる。代わりに、機械的クランプ装置１３０を介してバルク材料１１０の体積に電流を流すことにより誘導ジュール熱源を装置１００に適用することもできる。
【００３５】
図１を参照すると、注入装置１４０は、バルク材料の表面領域１１２に所定の出力フラックス１４５を伴うＭｅＶのエネルギーレベルのイオン粒子を注入することによって劈開領域１１５を形成するために用いられる。注入装置１４０はまた、表面領域への粒子照射からの出力フラックス１４５により、注入装置１４０のデューティファクタを調整することによって粒子出力フラックスを調整し、温度制御するために使うこともできる。一つの実施形態では、一つまたは複数の表面領域の上方に配置される投光照明などのＣＷ熱源１４１を、追加の制御可能な放射熱フラックス１４６を提供するために使うことができる。他の実施形態では、一つまたは複数のパルス出力フラックスソース１４２もまた、劈開を促進するための剪断応力を加えるために表面領域１１２に向かう、（側部領域から）特に劈開領域にパルス熱フラックスを提供するために使うこともできる。
【００３６】
センサ装置１５０は、温度センサ、位置センサ、圧力センサ、および表面粗さプローブを含む複数のセンサを備える。バルク材料１１０がステージ１２０に保持されるおよび注入工程中の任意の時点で、センサ装置１５０はその時点のバルク材料１１０の状態に関連する全てのセンサデータを収集する能力がある。センサ装置により記録されたセンサデータは制御装置１６０に送られ、注入とそれに続く劈開工程のためのバルク材料の温度を処方手順の値に変化および保持するための制御ルーチンを決めるためのフィードバック／フィードフォワード制御方式を実行するための入力データとして使われる。
【００３７】
図１Ａは、本発明の実施形態による情報の処理に使われるだけでなく図１の装置１００の動作を監視および実行するために使われる制御装置１６０の略図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの他の修正形態、代替形態、および変形形態を認識するであろう。図示のように、制御装置１６０はコンピュータシステム１７０にリンクする制御電子装置１６２を備える。
【００３８】
具体的実施形態では、制御装置１６０は複数の制御機能を実行するために制御電子装置１６２を使う。例えば、制御電子装置１６２は複数の電子ボードまたはファンクションカードを備える。これらの各ボードはそれぞれ、温度制御機能を実行するためにステージ１２０に連結し、バルク材料１１０を固定または固定を外すために機械的クランプ装置１３０に連結し、注入工程のために注入装置１４０に連結し、温度制御と劈開工程支援の両方のための外部熱源（ＣＷソース１４１やパルスソース１４２など）に連結し、およびセンサ装置１５０に連結してバルク材料の現在の状況に関連する情報を受信しコンピュータシステム１７０のための入力データパケットを生成するように構成することができる。
【００３９】
他の具体的実施形態では、コンピュータシステム１７０は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのオペレーティングシステムＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＮＴが動作するペンティアム（登録商標）クラスをベースにしたコンピュータシステムにすることができる。しかし、このコンピュータシステムは、本発明の範囲を逸脱しない範囲で当業者によって容易に他のオペレーティングシステムやアーキテクチャに適合される。図１Ｂは本発明の実施形態による図１Ａのコンピュータシステム１７０のハードウェア要素のより詳細な図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図のように、コンピュータシステム１７０は、中央プロセッサ１７３で実行している複数の制御コード１６５、１６６、１６７のデータを処理するために入力センサデータをＩ／Ｏコントローラ１７１を介して受信し、Ｉ／Ｏコントローラ１７１を介して制御電子回路に出力制御指令／命令を送り返すように構成される。各複数の制御コードは、装置１００での特定の制御機能のために特別に設計されている。例えば、コンピュータシステム１７０で実行している制御コード１６５はバルク材料の表面領域に向けて特定の高エネルギーイオン粒子ビームを届けるための注入装置の動作を制御するためのプログラムであってもよい。他の例では、制御コード１６６は、機械的クランプ装置によって実行されるサンプル取扱手順、またはセンサ装置によって実行されるサンプル監視計画を生成するためのプログラムであってもよい。また他の例では、制御コード１６７は、ステージを冷却するための、クランプを介したジュール熱を加えるための、および／または外部熱源等による表面の加熱のための出力指令の生成が可能なプログラムであってもよい。もちろん、当業者は多くの他の修正形態、代替形態、変形形態を認識するであろう。
【００４０】
具体的実施形態では、全てのハードウェア要素またはコンピュータシステム１７０のサブシステムはシステムバス１７５を介して相互連結される。例えば、プリンタ１７４、キーボード１７８、固定ディスク１７９、ディスプレイアダプタ１７６Ａに接続されるモニタ１７６などのサブシステムが図示される。周辺機器やＩ／Ｏコントローラ１７１に連結する入出力（Ｉ／Ｏ）装置は、シリアルポート１７７など、当技術分野で周知のさまざまな手段によってコンピュータシステムに接続することができる。例えば、シリアルポート１７７はコンピュータシステムを、インターネットなどの広域ネットワークに替わりに接続するモデム、マウス入力装置、またはスキャナなどの外部インターフェース１８０に接続するために使うことができる。システムバス１７５を介した相互接続は、中央プロセッサ１７３に各サブシステムと通信し、システムメモリ１７２または固定ディスク１７９からの命令の実行を制御すること可能にし、また、サブシステム間での情報の交換を可能にする。サブシステムや相互接続の他の配置が当業者によって容易に達成可能である。システムメモリや固定ディスクはコンピュータプログラムの記憶装置の具体的媒体の例であり、具体的媒体の他のタイプにはフロッピーディスク、リムーバブルハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭやバーコードなどの光学的記憶媒体、およびフラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、バッテリバックアップメモリなどの半導体メモリが含まれる。
【００４１】
上記のものは特定のハードウェア機能に関して例証したもので、多くの変形形態、代替形態、修正形態が存在することが認識されるであろう。例えば、どのハードウェア機能も、さらに結合するまたは分離することさえ可能である。この機能はまた、ソフトウェアまたはハードウェアとソフトウェアの組み合わせを通じて、ある程度、実施することができる。ハードウェアとソフトウェアは、アプリケーションに応じて、さらに一体にするまたはより少なく一体化することができる。本発明の機能性のさらなる詳細は、図に基づいて以下に概略説明される。
【００４２】
図２Ａおよび２Ｂは、本発明の実施形態による側部領域の溝を介して機械的クランプ装置によってステージ上に保持されるバルク材料の略図を示す。これらの図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、代替形態、修正形態を認識するであろう。バルク材料１１０Ａは、注入を促進するための平坦化された表面領域を有するように前処理されることに加えて、バルク材料がステージ１２０Ａ上に確実に保持できるよう機械的クランプ装置を受け入れるよう構成された側部領域の一つまたは複数の溝を有するように前処理されてもよい。図２Ａは側部領域周囲を囲む溝とバルク材料をクランプするための溝に適合する機械的クランプ装置の２つのクランプアームの概略側面図を示す。図２Ｂはクランプされた図２Ａに示す同じバルク材料の概略上面図であり、バルク材料が円形断面形状を有すると仮定している。
【００４３】
本発明の実施形態に従って、バルク材料１１０Ａは表面領域から底部領域までの所望の長さを有するように製造することができる。図２Ａに示したように、具体的実施形態では、機械的クランプ装置１３１にクランプされるバルク材料１１０Ａの位置は、表面領域を含むバルク材料の少なくとも７０％部分および側部領域の表面領域からの長さの少なくとも７０％が機械的クランプ装置の干渉なしに加工のために実質的に露出するよう（側部領域上の）底部領域近くに位置する。バルク材料の長さは、材料タイプによるが、具体的装置１００による熱容量および熱伝達の対処能力に基づいて予め定めることができる。バルク材料の長さはまた、膜厚さによるが、バルク材料の劈開からいくつの自立膜を得ることができるかを決定する。
【００４４】
例えば、バルク材料１１０Ａは、５ｃｍの原長を示し、１５ｃｍ×１５ｃｍの側面寸法（約３ｋｇの重さ）を有する単結晶シリコンインゴットにすることができる。一つの実施形態では、このようなインゴットの約７０％の長さの劈開から、本発明の実施形態の技術を利用することにより、それぞれが１００μｍの厚さを有する、３５０の自立単結晶シリコン膜を生産することができる。１ｍ2は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を持つ約４５のタイル表面に相当するので、約７．８ｍ2のシリコンの表面積をこのような５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。他の実施形態では、このようなインゴットの約７０％の長さの劈開から２０μｍの厚さを有する１７５０の自立単結晶シリコン膜を生産することができる。この実施形態では約３９ｍ2のシリコンを５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。単結晶シリコンから劈開されないインゴットの残り３０％は、劈開のための新しいインゴットを製造するため、高度に純化された出発材料として溶融物に戻すことができる。
【００４５】
具体的実施形態では、バルク材料１１０Ａは単結晶シリコンインゴット、ポリ結晶シリコン鋳造ウエハ、タイル、または基板、シリコンゲルマニウムウエハ、III／Ｖ族材料の基板、ＩＩ／ＶＩ族材料、窒化ガリウム、炭化ケイ素などにすることができる。具体的実施形態では、バルク材料は感光材料にすることができる。単結晶シリコンは、効率、コストなどの要因と不純物ゲッタリングなどの後処理との間で求められたトレードオフにより、太陽電池、半導体、または金属グレードの純度水準からなり得る。
【００４６】
どの単結晶材料も、劈開のし易さ、好ましい装置の動作などの利点がある特定方位に切断することができる。例えば、シリコン太陽電池は、このタイプの自立基板を作るために、主に（１００）、（１１０）、または（１１１）の表面方位を有するように切断することができる。もちろん、主要な結晶方位から意図的にミスカットされた方位面を有する出発材料を用意することもできる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００４７】
本発明の実施形態に従って、バルク材料１１０は製造設備や材料タイプに基づいて、複数の断面形状を有するように用意することができる。したがって、クランプ設備または機構を、バルク材料の表面領域および側部領域の大部分を機械的クランプ装置の干渉無しに処理することができ、残りのバルク材料が特定の劈開工程の終了後にクランプ装置から解放することができるように、変更または修正することができる。例えば、円形断面形状に対して、対向する側に位置する２つの円弧状のクランプアームが図２Ｂに示されている。他の実施形態では、より長い長さの単一の円弧状アームを取り外し可能なクランプのために使うことができる。さらに別の実施形態では、より短い長さで他の位置にある３つまたはそれ以上の円弧状アームを取り外し可能なクランプのために使うことができる。図２Ｃは側部領域の３つのノッチ１０３に適合する３つの矩形状クランプアーム１３２によって取り外し可能にクランプされる六角断面形状のバルク材料１１０Ｂの概略上面図を示す。図２Ｄは底部領域からロック機構１０４を介して機械的クランプ装置１３３によってステージ１２０Ｂに保持されるバルク材料１１０Ｃの概略側面図を示す。クランプアーム１３３はキーのような構造として使うことができる。クランプアーム１３３はバルク材料１１０Ｃの底部領域に形成されたロック構造に挿入され、その後バルク材料１１０Ｃを確実に保持または固定するための位置に所定の角度回転することができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００４８】
さらに本発明の実施形態に従って、図２Ｅおよび２Ｆに示したように、何の前処理された溝やノッチを持たない自然形態のシリコンインゴットなどのバルク材料１１０Ｄを、２つ以上のＣ形状機械的クランプ装置１３４によってクランプし、ステージ１２０Ｃの上部に固定することができる。クランプ位置は側部領域の下半分近傍（例えば、底部領域から計った長さの少なくとも３０％未満）に位置する。ある実施形態では、このクランプ位置は、バルク材料１１０Ｄの表面領域の１００％が露出され、クランプ装置からの物理的な干渉無しの処理を可能にする。特に、光起電装置のためのシリコンインゴットからの厚膜劈開のための表面領域の１００％利用は本発明によってもたらされる利点の一つである。さらに、他の実施形態では、クランプ機構は、劈開工程がバルク材料の体積の大部分（例えば、少なくとも７０％）から厚膜を一枚ずつ分離するよう連続的に実行され得ることが可能になることを目的とする。さらに別の実施形態では、クランプ機構はステージ１２０Ｃにバルク材料１１０Ｄを保持するために摩擦力を用いる。機械的クランプ装置の熱膨張係数はバルク材料のそれよりも大きいので、バルク材料が高温で加工されるまたはクランプを通ってバルク材料に特定の熱フラックスが流入すると、熱膨張によりクランプがよりきつくなる。また別の実施形態では、クランプアームはクランプされるバルク材料の形状に合うように表面上に鋭い突出を持たないよう構成されるため、バルク材料との係合に強いクランプ力が加わることによる側部領域のクラッキングが生じない。
【００４９】
本発明の実施形態に従って、バルク材料は注入工程が開始される平坦化された表面領域およびステージに係合することができる滑らかな底部領域を有するように前処理されてもよい。図３に示したように、バルク材料はさらに滑らかな底部領域１１８に配置された閉ループの溝１１４を有するように処理されてもよい。例として、バルク材料が正方形断面形状を有することを想定する。一つの実施形態では、溝１１４はまた実質的に正方形状で底部領域１１８の端部の近傍にそって位置する。他の実施形態では、溝１１４は、バルク材料１１０Ｅの底部領域１１８がステージの平面に（機械的クランプ装置の補助で）係合するときに、適応気密シールを受けることができる。気密シールとバルク材料１１０Ｅの底部領域とステージの間の２つの係合する平面は、ガスの層で充填されるキャビティを形成する。ガスの層は、圧力に依存するが、バルクの底部領域とステージ間の熱伝導を大幅に増加させることができる。さらに他の実施形態では、特定のガス供給装置がステージ内に組み込まれると、このガスを利用した伝導は、底部領域に係合することによってバルク材料を支持するために使われたステージを事実上温度制御ステージに変更する。
【００５０】
図４は本発明の実施形態による温度制御ステージにクランプされたバルク材料の概略断面を示す。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、代替形態、修正形態を認識するであろう。図４に示したように、バルク材料１１０は、底部領域１１８とステージ１２０の表面１２１間に挿入された気密シール１２２とともにステージ１２０の表面１２１に保持されたその底部領域１１８でクランプされる。底部領域１１８の第１の溝１１４に適合する気密シール１２２は、その底部領域１１８とステージ１２０の表面１２１でそれぞれその上部と底部を境界としてキャビティ１２４を形成する。ステージ１２０はさらに、気密シール１２２によって囲まれたキャビティ１２４内の表面１２１に複数のガス通路１２６を備える。複数のガス通路１２６は、所定の圧力のガス１２７でキャビティ１２４を充填できるようガス注入口１２８とガス排出口１２９を有するガス供給装置（図示せず）を介して、ステージ１２０の本体内に接続される。
【００５１】
ある実施形態では、気密シール１２２は、６インチシリコンウエハに対して２０Ｔｏｒｒまでの、または厚いシリコンインゴットに対してまたは約３ｋｇの重さのタイルに対して３００Ｔｏｒｒまでのキャビティ１２４内の高圧を確実に保持することができる。キャビティの外側では、バルク材料は約５×１０-7Ｔｏｒｒの圧力下の真空系に設置することができる。ある例では、気密シール１２２はＯリングにすることができる。他の例では、気密シール１２２は誘電体材料または金属材料から作られたフランジにすることができる。このガス１２７は極低温ガス、室温ガス、または加熱ガスにすることができる。ある例では、ガス１２７はヘリウム、水素、アルゴン、または窒素の少なくとも一つのガスである。
【００５２】
ある実施形態では、バルク材料の側部領域の第２溝１１６に適合する機械的クランプ装置１３０は、ステージ１２０の表面１２１上のバルク材料１１０をクランプするために用いられる。他の実施形態では、クランプ装置１３０は、所定の重量に加えて真空環境の表面領域とキャビティ内の背圧下の底部領域の間の圧力差による上向きの力を伴うバルク材料を確実に保持するための設計強度を有する金属ボディを備えてもよい。例えば、バルク材料に真空環境内での注入が行われている間に使われる２００Ｔｏｒｒの冷却ガスのキャビティ１２４内の背圧は、約１３５ｌｂｓの力を生み出す。したがって、クランプ装置１３０はこのような上向きの力に対してバルク材料を保持しなければならない。
【００５３】
具体的実施形態では、ステージ１２０は金属平板電極とともに埋め込まれた誘電体を含んだ静電チャックである。金属平板電極とバルク材料１１０の間に電圧を加えることにより、ステージ１２０上のバルク材料１１０を吸着するように静電気力を発生させることができる。ある実施形態では、約２５Ｔｏｒｒまでのより小さい背圧がキャビティ１２４内で測定されると、このような静電チャックが使われている場合には機械的クランプ装置１３０は取り除かれて置き換えられ得る。代替として、クランプ装置１３０と静電チャックを備えたステージの両方を使うことができる。加えて、機械的クランプ装置１３０とステージ１２０はトレイベース１９０上に取り付けられる。このトレイベースはそれ自身で、平面１２１と平行なＸ−Ｙ平面を２次元的に動くことができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００５４】
他の実施形態では、クランプ装置１３０はまた本発明の実施形態に従って、バルク材料１１０にＩＲ加熱を加えるための電気接触手段として使うこともできる。電気的ソース１３８は、電流Iがバルク材料を流れることによるジュール加熱を生み出す。加熱レベルはＩ2Ｒに等しく、Ｒは抵抗率、材料密度および接点形状に基づく材料の抵抗である。
【００５５】
ステージ１２０に組み込まれたガス供給装置（図示せず）を通じた、ガス１２７の圧力の調整により、装置１００の温度制御を行うことができる。ガス分子は底部領域１１８とステージの平面１２１の間で跳ね返り、表面間でエネルギーを交換する。特定のバルク材料、ステージの誘電体材料、ガスの種類に対して、ガス表面の適応係数はほぼ固定される。固定された高さのキャビティ１２４に対して、ガス圧力が高くなるほど熱伝導が高くなるまたは表面１１８と１２１間のエネルギーの移動がより良くなる。１０ミクロン未満のキャビティ高さに対して、ガスの平均自由行程は一般的に、例えば２００Ｔｏｒｒの高いガス圧力でもキャビティ高さより依然として大きい。したがって、平均してガス分子は表面１１８と１２１間を衝突することなく移動することができるので、それが生じたところの表面にエネルギーが戻されることはなく、表面１１８と１２１間の最も効率的な熱伝達を行う。ガス圧力が制御された値に減少すると、熱伝達は制御されて下げられてさらに表面領域１１２の温度を制御下で変えることができる。
【００５６】
供給されるガスの温度調整により、さらに温度制御をすることができる。一つの例では、ガス１２７を加速冷却のために極低温に予め冷却することができ、表面領域からバルク材料の底部領域への下降熱伝達１４８を提供する。あるいは、ガス１２７を、冷却を鈍化させるかまたはさらにステージから表面領域に向かう上昇熱フラックス１４８を形成するために予め加熱することができる。基本的に、ガス層界面領域を備えるステージ１２０は、バルク材料のためのＣＷ出力フラックス制御を伴う定常温度制御装置として使うことができる。温度制御は注入工程中および／または他の類似の工程中に提供することができる。
【００５７】
他の実施形態では、ガスを補助に使う伝導はバルク材料の底部領域およびステージ表面の物理的特性によって決まる表面の適応係数により制限される。ガス分子がキャビティ内で完全にランダムな速度を有し、分子がキャビティの境界間でエネルギーの移動なしに弾性的に跳ね返る場合、表面の適応係数は１である。一つの例では、シリコン表面と誘電体材料で作られたステージ表面に対するこの係数の標準値は約０．３である。
【００５８】
所望の熱伝達は、取り扱われるバルク材料の熱容量または熱質量に依存する。比較的重いバルク材料とステージとバルク材料の底部領域間の薄いキャビティ高さでは、高圧のＨｅやＨ2などの軽いガスが高熱伝導を達成するための最良の選択である。さらに、ガス圧の調整は２つの固体表面間の熱伝達を制御するための大変効率的な方法になり得る。例えば、約５ｃｍ厚のシリコンインゴットに対して、４×１０4Ｗｍ-2Ｋ-1までの熱伝導率は、数ミクロンの高さの薄いキャビティと３００Ｔｏｒｒまでのガス圧力を用いて実現することができる。比較的高い背圧によって達成されたこの高熱伝導率は、バルク材料が起こりうる上方への曲げに対する十分な機械的剛性を持つ場合でのみ保つことができる。幾つかの実施形態に記述された５ｃｍ厚のインゴット材料（および、膜の分離が繰り返された後に１．５ｃｍの最終厚さに薄くした後でさえ）、この要件は満たされる。
【００５９】
上述の例では、バルク材料の底部はまた、恒久的または一時的に固定されているアダプタ板を介して温度制御面に連結することができる。以下により詳細を記述するが、アダプタ板は、バルクから熱伝達プレートへの機械的および熱的な結合を可能にする。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００６０】
図１に戻って参照すると、装置１００の他の構成が注入装置１４０である。注入装置１４０は、例えば２ＭｅＶ以上の高エネルギーのイオン粒子を生成する能力のある独立して作動する線形加速器とすることができる。この線形加速器は、複数の高周波四重極（ＲＦＱ）要素および／または複数のドリフト管線形加速器（ＤＴＬ）ユニットおよび／またはこれらの組み合わせであって良いが、これに限定されるものではない。これらの要素は、マイクロ波ＥＣＲイオン源からイオンビームを取り出し、その後最終的な所望のエネルギーレベルまでイオンを閉じ込めて加速する。イオン種は水素、重水素、またはヘリウム種を含む。粒子ビーム電流は２０ｍＡまでにすることができ、ビームサイズは注入装置１４０の出射孔に取付られたビーム拡大器（図示せず）によってほぼ５０ｃｍまで拡大することができる。
【００６１】
もちろん、当業者は注入装置の構成の多くの代替形態、変形形態、修正形態を認識するであろう。例えば、このような注入装置は、カリフォルニア州プレザントンのＡｃｃｓｙｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．などの会社から入手できる高周波四重極加速器（ＲＦＱ−Ｌｉｎａｃ）またはドリフト管リニアック（ＤＴＬ）、またはＮＭ８７１０９、アルバカーキーのＬｉｎａｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＬＬＣ（社）のＲＦ収束櫛型（ＲＦ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）（ＲＦＩ）技術などを使うことにより最近利用できるようになっている。
【００６２】
再度図１を参照すると、装置１００は、バルク材料１１０の表面領域１１２にＭｅＶレベルのイオン粒子のビームを注入するために注入装置１４０を用いている。バルク材料へのイオン粒子の注入は、本発明の実施形態に従って、自立膜を形成するための劈開工程を可能とする。エネルギーは部分的に注入種および条件に依存する。所定のエネルギーレベルの粒子ビームにより効果的に、粒子は表面領域１１２の下の所定の領域端（ＥＯＲ）深さまで深く届くことができ、応力を加えるまたはほぼＥＯＲ深さでの平面に沿った破壊エネルギーを減少させることができる。これらの粒子は、劈開領域１１５または劈開面を形成するためにＥＯＲ深さ周囲のバルク材料の破壊エネルギーレベルを低減する。これは、バルク材料１１０から重ねられた膜１１３を分離するために、形成された劈開領域に沿った制御された劈開を可能にする。
【００６３】
本発明の実施形態に従って、イオン注入は、全ての内部位置でバルク材料のエネルギー状態がバルク材料中で不可逆破壊（すなわち、分離や劈開）を起こすために不十分であるような条件下で起こり得る。しかし、注入ドーズは一般的に、その後の熱処理、例えば熱アニーリングまたは短時間熱アニーリング、によって通常は少なくとも部分的に修復することができるバルク材料中の所定量の欠陥（例えば微小欠陥）をもたらす。
【００６４】
イオン注入に関連した結果は、衝突イオン粒子の出力フラックス１４５による表面領域および下方周囲のバルク材料の温度上昇である。装置１００の注入装置１４０からの出力ビームは直径数ミリメートル程度にすることができる。注入アプリケーションは、ターゲット表面に衝突する出力フラックスが大きくなり過ぎないようにする、およびできる限りターゲット表面を加熱または傷つけないようにするために、ビーム直径を数百ミリメートル程度に拡大することを必要としてもよい。特定の粒子ビーム特性（所定のビーム電流およびビームサイズを備える）に対して、粒子出力フラックス１４５による温度上昇はまた、注入装置１４０に対して適切なデューティファクタ（例えば、０％がオフ、５０％は半分の出力、１００％が全出力）を設定することにより制限することができる。他の実施形態では、移動トレイ１７０は、フラックス１４５によるイオンビーム加熱が時間平均化されるように、表面領域１１２を横切る所定の速度でのビームの走査を可能とする。また、単独あるいはトレイの動きと組み合わせたビーム走査は、ターゲット表面を横切ってビームを動かすことを可能とし、ビームフラックスの時間平均化を行うことも可能となる。
【００６５】
イオン注入と関連した温度上昇の両方は、注入およびその場注入アニーリング工程中の温度制御のために利用することができる速度が制限された熱処理にすることができる。例えば、前に記述された装置１００は、バルク材料から自立膜を分離するために適した所望の劈開面を得るために、吸収量および基板温度上昇に関してイオン注入の成果を制御することができる。
【００６６】
再度図１を参照すると、装置１００は、バルク材料についての現在の状態に関連したデータを収集するためのセンサ装置１５０を利用する。特に、センサ装置１５０は、少なくとも表面領域１１２および底部領域１１８の両方の温度値および表面領域１１２の表面粗さを含む、バルク材料１１０の表面特性を測定または監視するための複数のセンサを利用する。測定および監視は注入工程中連続的で動的である。センサ装置１５０は、特定の時点に対する入力データのセットを動的に生成することができる。
【００６７】
センサ装置１５０は少なくとも５つの異なるタイプのセンサを備える。第１のタイプは温度センサであり、表面領域１１２および底部領域１１８近傍に配置され、バルク材料１１０の表面領域および底部領域の温度を測定することができる。温度センサはプログラムされた温度制御ルーチンを実行するために制御装置１６０のための直接入力データとして使うことができる。追加の温度センサを、供給ガス１２７の温度を測定するためにガス供給口１２８に設置してもよい。それ以上の温度センサが、クランプ装置１３０を通じた熱および電気伝導の入力を提供するための第２溝１１６での温度を測定するために必要な場合がある。ある例では、温度センサは熱電対のような接触タイプを含む。他の例では、光高温計のような非接触タイプの温度センサを使うこともできる。
【００６８】
第２のタイプのセンサは圧力センサであり、供給ガス１２７の圧力を測定するためにキャビティ１２４内の底部領域１１８近傍に設置される。圧力センサは、ガスを補助に使う伝導を用いて底部領域１１８の温度変化を導くための供給ガスの圧力を検知できる。このような圧力センサ、例えば広い圧力範囲で動作可能である圧力ゲージまたは複数のゲージは、所望の圧力測定レンジを実現するために使うことができる。
【００６９】
第３のタイプのセンサは、劈開工程により各厚膜が分離された後のバルク材料１１０の重さを監視することができる。バルク材料の重さは固有の熱容量および熱抵抗に対応し、それは同様に温度制御ステージ１２０を使った温度制御を最適化するために有用である熱時定数を決定する。重量センサの代わりまたはそれと併せて、位置センサまたはタイルカウンタ（ｔｉｌｅ−ｃｏｕｎｔｅｒ）を使うことができ、それは各連続劈開工程後に、現在の表面領域１１２から底部領域１１８まで測定した、バルク材料の表面の高さの変化または現在の長さ１１１を監視する。
【００７０】
第４のタイプのセンサは、各劈開工程後の表面状態の情報を提供する表面粗さまたは欠陥検査センサである。この入力データに基づいて装置１００は、インゴットまたはタイル表面が再ラッピング、ポリッシング、または修復される必要があるかを決めることができる。実施形態では、このタイプのセンサは特定の劈開破壊により生じた平坦度の差または粒子スパイク（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｐｉｋｅｓ）を測定することができる。この情報は、装置１００にフル生産を続ける能力を自己診断することを可能にし、結果として生じる自立厚膜の全体的な品質を確保する。
【００７１】
第５のタイプのセンサは、どのように劈開面に沿った微小亀裂伝搬の開始を引き起こすかを監視することができるように、処理領域の劈開前（ｐｒｅｃｌｅａｖｅ）の情報を捕らえるための音響または光学センサを含んでもよい。さらに、局所的な応力の解放による材料内の過渡的な弾性波であるセンサによって検知されたアコースティックエミッションは、劈開工程中にレーザパルスエネルギーが増加または減少するように調整するために使うことができる。このような音響センサは、一般的に１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間の領域の超音波領域で動作するが、１ｋＨｚまで下げるまたは１００ＭＨｚまでであってもよい。典型的な音響センサは、電気的、電子的、電気機械的、または電磁的メカニズムに基づいたトランスデューサを含む。また、光学センサの使用は、具体的実施形態による劈開プロセス開始および伝搬を制御するために、劈開前または劈開中の劈開面の光学的な変化を検知する。実施形態によるが、検知は、任意のこれらの技術などの組み合わせを用いて行うことができる。
【００７２】
図１を再び参照すると、装置１００はさらにセンサ装置１５０によって生成された入力データを受信および処理するために構成された制御装置１６０を備える。制御装置１６０はまた、複数の自立厚膜を製造するために有利な連続注入工程の間にバルク材料１１０の温度を動的に制御するために、注入装置１４０および温度制御ステージ１２０に接続されるとともに指令を行う。ある実施形態では、制御装置１６０は最良の動作ルーチンを決定するための動的なフィードバック／フィードフォワード制御方式を実行するよう構成される。この制御方式では、表面温度、底部温度、バルク材料の重さ（または長さ）、表面粗さなどを含むバルク材料の現在の状態に関連する入力データが処理される。任意の特定の時点における注入、その場アニーリング、および／または、その後の劈開のための所定の処方手順に基づいて、制御装置は出力としての最適化された制御ルーチンを計算し、ここでは動作指令は注入装置１４０のデューティファクタを調整するおよび／またはキャビティ１２４内に供給されるガス１２７の背圧および温度を調整することによりステージ１２０を用いて底部温度を変化させるために与えられる。
【００７３】
また、ある例では、制御装置１６０は処理中のバルク材料の処理領域に向かって追加のＣＷ出力フラックス１４６を提供するために、表面領域の上の一つまたは複数の外部投光照明熱源１４１に接続されていてもよい。他の例では、表面領域の上に配置された一つまたは複数のパルス熱源１４２がさらに、アニーリングまたは急速な上昇率で表面温度を上昇させるための出力フラックス１４７を供給するために適用される。ある実施形態では、パルス熱源１４２は、処理領域の熱時定数、１００μｍ厚の自立膜製造工程に対しておおよそ５０マイクロ秒内で局所的にエネルギーパルス１４９の導入を通じて効率的な劈開領域１１５を生成するのに役立てることができる。パルス熱源の一つの例は、数ナノ秒から数十ナノ秒以上の特性パルス幅を持ちｃｍ2あたりのエネルギー０．１−５０ジュールを届けるＹＡＧレーザパルス装置である。基本的な１．０６μｍＹＡＧラインは、このアプリケーションに必要な１００μｍ内にレーザの熱エネルギーの大部分を供給する。劈開領域は局所的なＥＯＲ損傷がシリコンのＩＲ吸収係数を増加させるため、そこに到達する残留赤外線（ＩＲ）放射を効率的に吸収することが見込まれる。低い熱伝導率のＥＯＲ領域を横切る瞬間的な温度差は、さらに劈開エネルギーを減少させることができるかあるいはさらに劈開工程を起こすことができる剪断応力を発生させる。
【００７４】
他の例として、レーザ光が劈開領域のＥＯＲ損傷内に大部分が吸収されると（そこでは、光はバルク材料の側部領域周辺から全ての角度で劈開領域に作用することができる）、レーザパルスエネルギーは照射後周囲の材料への熱緩和まで高レベルの応力を発生させる。劈開領域の緩和時定数は、注入エネルギー（劈開領域の厚さを決める）および劈開領域の有効熱伝導率に応じて約２５ナノ秒から２０マイクロ秒以上である。本発明の特定の実施形態に従って、表面領域の加熱はＥＯＲ劈開領域、劈開される上を覆う膜、またはその両方の加熱を含む。
【００７５】
他の例では、ステージ１２０の底部に水冷却システム（図示せず）を取り付け、伝導を促進するために機械的クランプ１３０に独立したヒートシンクを取り付けることによって追加の冷却を与えることができる。バルク材料から自立厚膜を分離するための劈開工程中の温度制御方法のさらなる記述は以下に述べる。
【００７６】
図５は本発明の実施形態によるバルク材料から自立膜を連続的に分離するための劈開工程中の温度制御方法を示した概略フローチャートを示す。この図は単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、代替形態、修正形態を認識するであろう。この方法２００は次の工程を含む。
１．バルク材料を用意する工程２１０。
２．バルク材料の現在の状態に関するセンサデータを収集する工程２２０。
３．制御ルーチンおよび温度設定値を決定するためのセンサデータを処理する工程２３０。
４．設定値に到達するための制御ルーチンを実行する工程２４０。
５．設定値で注入およびその場アニーリング工程を実行する工程２５０。
６．劈開工程（装置１００での場合）を実行する工程２６０。
７．残っているバルク材料の長さをチェックし、３０％未満なら工程を終了し、そうでなければ次の工程に進む工程２７０。
８．バルク材料の表面粗さをチェックし、基準を満たせば工程２２０に戻って次に進み、そうでなければ工程２１０に戻って次に進む工程２８０。
【００７７】
上記の一連の工程は本発明の実施形態による方法を提供する。工程が追加されたり、一つまたは複数の工程が取り除かれたり、または一つまたは複数の工程が特許請求の範囲から離れることなく他の手順で提供される、他の代替形態もまた可能である。本発明のさらなる詳細は本明細書を通じて、特に以下に見ることができる。
【００７８】
図５を参照すると、方法２００は第１に自立膜を製造するために劈開用バルク材料を用意する工程段階２１０を備える。特定の実施形態によれば、バルク材料はインゴットの形に成長して与えられる、単結晶シリコンなどの半導体材料を含み得る。他の実施形態では、バルク材料はポリ結晶シリコンの大きいタイルであってもよい。具体的実施形態では、インゴット材料および／またはポリ結晶タイルは、ある長さに予め加工された本体および実質的に円形または多角形の断面形状を有し得る。バルク材料の長さは温度制御された劈開を促進するために予め定めることができる。一定の密度をもったバルク材料に対して、長さはその重量に相当する。例えば、結晶シリコンインゴットに対して、好ましい長さは約５ｃｍで重量は約３ｋｇである。
【００７９】
他の実施形態では、劈開のためのバルク材料の用意には、良質デバイス用膜を製造するための表面領域およびステージ上に保持するための底部領域の両方を滑らかにするためのさまざまな平坦化処理を用いることを含む。さらに他の実施形態では、バルク材料の用意には、表面粗さをより小さいレベルにするために、例えば、装置１００の注入装置１４０によって発生した高エネルギー粒子など、改良された高ドーズエネルギーイオン粒子注入工程を使うことを含む。ある実施形態では、バルク材料の用意はまた、表面粗さを減少させるために表面の軽いエッチングおよび／または薄い滑らかな層を堆積させることも含む。他の実施形態では、バルク材料の用意にはさらに、劈開工程前の表面領域に光結合層、透明導電酸化物、および光閉じ込め層などのコーティング／膜を堆積させるためにデバイス製造工程を組み入れることを含む。その後の劈開のために、表面状態は、次の工程段階のために異なるオプションにつながる処理が表面に必要かを決めるために、バルク材料から膜が取り除かれるたびに再チェックされる。
【００８０】
バルク材料を用意するための方法２００の第１の工程段階２１０はさらに、バルク材料の底部領域に第１の溝を作ることを含む。具体的実施形態では、第１の溝は多角形の底部の端部領域に配置された閉ループの溝である。第１の溝は、バルク材料の滑らかにされた底部領域がステージの平面に係合する時に、ガス層界面を形成するための気密シールに適合するように設計される。さらにある実施形態では、工程２１０はさらに、バルク材料の周辺側部領域の所定の位置に第２溝を形成することを含む。第２溝の位置は、概して、次の工程で、注入および表面領域からバルク材料の７０％まで連続的に実行される劈開工程を妨害することなく、溝に適合される機械的クランプ装置が側部領域からバルク材料を適切にクランプすることができるように、底部からのバルク材料の長さの３０％未満に設定することができる。一つの例では、第２溝は周辺側を囲む単一の溝であってもよい。他の例では、バルク材料の周りのさまざまな位置に配置された一群の溝であってもよい。他の実施形態では、工程２１０は、次の工程で底部からステージ上にバルク装置を確実にロックするためのキー構造を有する機械的クランプ装置のために、底部領域にロック構造を作ることを含んでもよい。
【００８１】
バルク材料を用意するための方法２００の第１の工程段階２１０はさらに、クランプ溝としての第２溝を用いて機械的クランプ装置によりバルク材料をクランプすることを含む。代替実施形態では、バルク材料１１０を、ロック機構を介して底部領域から機械的クランプ装置により確実に保持することができる。図４に示される、具体的実施形態では、バルク材料１１０は機械的クランプ装置１３０によりクランプされ、気密シール１２２によってのみ分離されて底部領域１１８がステージの平面１２１に結合してステージ１２０上に保持される。気密シール１２２は、底部領域１１８とステージ表面１２１を連結すると同時に、バルク材料の底部領域１１８とステージの平面１２１がそれぞれ上部と底部の境界になる薄いキャビティ１２４をそれらの間に形成するために第１溝１１４に一致するように構成される。気密シール１２２は、機械的クランプ装置に補助されて、キャビティ１２４の内外に形成される高圧力差を保持するのに十分確実である。具体的実施形態では、ステージ１２０の平面１２１は、キャビティ１２４内に満たされたガス１２７が調整可能な圧力にすることを可能とする複数のガス通路１２６を備える。ガスは通常、注入口１２８と排出口１２９を有するステージ１２０内に組み込まれたアセンブリにより供給される水素またはヘリウムガスである。ガス１２７は極低温または室温であり得る。また、ガスを加熱することもできる。
【００８２】
図５を参照すると、いったんバルク材料が用意され、ステージ上に保持されると、方法の工程段階２２０が実行される。この段階では、バルク材料の現在の状態に関連するデータが、センサ装置によって操作される一つまたは複数のセンサによって収集される。例えば、センサ装置は図１にセンサ装置１５０として示される。
【００８３】
ある実施形態では、センサ装置により操作される一つまたは複数のセンサは、表面領域の温度Ｔs、および底部領域の温度Ｔbを測定するための温度センサを含む。他の実施形態では、一つまたは複数のセンサはまた、同様にバルク材料の現在の長さまたは重さの情報を提供するバルク材料の表面領域の位置を検知することにより、劈開工程中のバルク材料の履歴を追跡記録する位置センサも含む。さらに他の実施形態では、一つまたは複数のセンサは、バルク材料の底部領域とステージ表面の間のキャビティ内の圧力を示す圧力センサを含む。センサ情報の収集または所定の測定を実行することは、工程２１０で一度バルク材料が用意されると最後の劈開工程が終わるまで（工程フローを停止する特定の劈開工程基準が満たされない場合を除く）任意の時点で行われる。収集されたセンサデータはリンクされた制御装置に送られて処理される。例えば、制御装置１６０は図１に示された装置１００内に含まれる。
【００８４】
この方法２００の工程段階２３０は、工程の処方手順に基づいた所望の工程（注入および／または劈開）温度にバルク材料の表面温度を変化させるための温度フィードバック／フィードフォワード制御方式の入力として、これらのセンサデータを処理するために制御装置を使う。任意の時点で、処方手順は表面領域、より詳しくは処理領域でのバルク材料の所望工程温度Ｔpのための設定値を決定する。その後、ある時点でのセンサデータからの入力データが、表面領域の現在の温度Ｔsを目標設定値Ｔpに変化させるおよび／または要求通りにその温度に維持するための最良のルーチンを決定するためにフィードバック／フィードフォワード制御方式で制御装置によって受信され処理される。制御ルーチンは、最も効率的な方法で工程温度に到達するような最速のまたは少なくとも所定の加熱／冷却速度を達成するように制御ループを安定に保つようプログラムされる。
【００８５】
方法２００の工程段階２４０は、次に与えられた時点から設定値に到達するよう選択された制御ルーチンを実行するために実行される。ある実施形態では、温度を変化させるための制御ルーチンは、複数の放射、対流、熱伝導経路を利用した加熱および冷却操作の両方を含む。例えば、現在の温度Ｔsが設定値Ｔpより低い場合には加熱が必要である。具体的実施形態では、図６の概略図に示されたように、一つまたは複数の投光照明などの外部放射源３０２を、ＣＷ出力フラックス３２６の上方からのバルク材料３００の表面領域３０１を加熱するために使うことができる。制御装置は、所望の上昇率と均一性で表面を加熱するためのランプ電流、オン／オフ周波数、および空間的寄与を制御するフィードバックループを通じてこれらの外部放射源につながれていてもよい。外部放射源はまた、アニーリングおよびパルス出力フラックス３２７を通じた劈開領域エンハンスメントのためのレーザパルス源などのパルス熱源３０３を含んでもよい。
【００８６】
他の実施形態では、劈開工程の一部は、注入装置により生成された高エネルギー粒子を利用したイオン注入工程を含む。表面領域３０１に照射される高エネルギー粒子の出力フラックス３０５は表面領域を加熱する傾向にある。制御装置は、注入中の加熱を制御するために、動作のデューティファクタ、オン／オフ周波数のほかに、粒子ビームのビームサイズおよび走査速度を制御するように注入装置、例えば装置１００の注入装置１４０につながれてもよい。
【００８７】
他の実施形態では、熱流３０６は熱伝導によって底部領域３０９から表面領域３０１にも発生させることができる。支持ステージ３１０を、底部温度を変化させることによって熱伝達を促進または制御するために用いてもよい。他の例では、熱は所定の上昇した表面温度でのイオン注入アニーリング後工程のために、この経路を通じて供給されてもよい。
【００８８】
さらに他の実施形態では、熱流３０６はジュール加熱、誘導加熱などから発生させることもできる。一つの例は電流をバルク材料に流すことによるバルク材料のＩ2Ｒ加熱である。一つの例では、熱は所定の上昇した表面温度でのイオン注入アニーリング後工程のために、この経路を通じて供給されてもよい。
【００８９】
本発明の他の具体的実施形態では、注入中または劈開工程中の表面領域の加熱を補償できるように底部の温度を下げることによって主に冷却するために使うことができる。つまり、図６の概略図に示された同じ経路を通じて、熱流３０７は表面領域３０１から底部領域３０９に流れる。底部温度Ｔbを効率的に下げるため、極低温ガスを気密シール３１３によって密封された底部領域と冷却されたステージ表面３１１の間のキャビティ３１５内に供給してもよい。薄いキャビティ（例えば数ミクロン）内の３００Ｔｏｒｒまでの圧力により、２つの表面と衝突する高速で動くガス分子は底部領域３０９から冷たいステージ表面３１１に熱エネルギーを効率的に移動することができる。ガス圧力を調整することにより、ガス分子の平均自由行程を熱の移動を最適化するためにキャビティ高さに応じて変化させることができる。
【００９０】
大抵の場合、バルク材料の大きい熱質量のため、ＥＯＲ領域は注入および特定の劈開面形成アニールに連続的により低い熱伝導を生成し、それゆえこの層はより表面加熱の影響を受けやすいので、ステージを通じた伝導による冷却制御時定数は放射源または表面領域への粒子照射による加熱より遅い。劈開工程が連続的に続くにつれて、バルク材料の長さは減少し、その冷却時定数も減少する。変化する長さを追跡記録する位置センサデータを利用することにより、制御装置は時定数を更新することができ、必要であれば他の制御パスを調整する。したがって、次回の劈開工程のための更新された最適制御ルーチンが生成される。
【００９１】
ある実施形態では、バルク材料が薄くなるにつれて、キャビティ内のガス圧力は熱伝導を減少させて冷却を減速させるために低くされ得る。他の実施形態では、制御方式は制御ループを安定に保ち、最も効率的な方法で所望の工程温度が得られるように最速のまたは少なくとも所定の加熱／冷却速度を達成するように、全ての速度プロセスを対応するように設計される。例えば、注入の前に、対象のバルク材料は冷たいが処方手順が３００℃を必要としている場合、３００℃より高い設定が、設定値に到達するより前に温度を下げるステージとともに注入バルク材料が表面で３００℃により速く達することを可能にするために使われ、加熱／冷却サイクルをできるだけ早く保つために温度を増加させる。
【００９２】
図５に戻ると、いったん表面温度ＴSが設定工程温度ＴPに到達すると、方法２００の工程段階２５０が注入工程を開始するために実行される。本発明の具体的実施形態によれば、図７の略図に示されたように、工程２５０はバルク材料４００の表面領域４０１を第１の複数の高エネルギー粒子４０５にさらすことを含む。具体的実施形態によれば、高エネルギー粒子４０５は線形加速器を備えた注入装置を使うことで生成することができる。注入を行うサブ段階と注入アニーリング後の間の設定値温度処理のサブ工程を組み込んだその場アニーリングもまた行うことができる。図５の他の全ての段階のように、段階２２０および２３０は後続の段階２５０および２６０内で何度も適用することができる。図５はしたがって第１の設定値処理の単なる例であり、限定するものとしてみなされるものではない。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００９３】
具体的実施形態によれば、図８の概略図に示したように、高エネルギー粒子５０５の注入の結果は、劈開領域５０３内に複数のゲッタリングサイトまたは蓄積領域の形成を生じさせる。この劈開領域５０３は、自立膜として分離されるバルク材料５００の層５１０を規定するために、表面領域５０１の下にもたらされ得る。好ましくは、第１の複数の高エネルギー粒子は、バルク材料のある深さ内に空間的に配置されるピーク密度および底を有する注入粒子プロファイルを提供する。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００９４】
ある実施形態では、劈開領域は注入中に第１の温度、例えば約−１００℃から２５０℃の間の幅に保たれ、直接間接を問わずに提供することができる。ある実施形態では、温度は装置１００により制御することができる。他の実施形態では、温度は工程段階２２０、２３０および２４０を実行することにより制御することができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００９５】
用途によるが、特定の実施形態によれば、より小さい質量粒子は一般的に材料の所望の深さへの注入のためのエネルギー必要量を減少させ、材料領域の損傷の可能性を減少させるために選択される。つまり、より小さい質量粒子は、粒子が通り抜けて移動する材料領域を実質的に損傷することなく、基板材料を通って選択された深さに容易に移動する。例えば、より小さい質量粒子（またはエネルギー粒子）は、ほとんどの（例えば、正または負に）帯電したおよび／または中性の原子または分子、または電子、などであり得る。具体的実施形態では、実施形態に応じて、粒子は水素およびその同位体のイオン種、ヘリウムおよびその同位体などの希ガスイオン、およびネオンなどのイオンを含む中性または帯電した粒子であり得る。粒子はまた、上述の粒子、および／またはイオン、および／または分子種、およびまたは原子種の任意の組み合わせとなり得る。粒子は、例えば、水素ガス、水蒸気、メタン、および水素化合物、および他の軽い原子質量粒子などのガスの化合物から生成することができる。この粒子は、通常、表面の下の選択された深さまで表面を貫くことができる十分な運動エネルギーを有する。
【００９６】
例えば、注入される種として水素を使うと、注入工程は特定の一連の条件を用いて実行される。注入される水素のドーズは約１×１０15から約１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の幅にすることができ、好ましくは注入される水素のドーズは８×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満である。水素注入のエネルギーは、発電用途のために有用な厚膜の形成に対して、約０．５ＭｅＶから約５ＭｅＶ以上に及ぶ。注入温度は、約−１００℃から約２５０℃まで及び、好ましくは注入されたシリコン劈開領域の外に水素イオンが拡散する可能性を避けるため約４００℃未満である。水素イオンは、約±０．０３から±３ミクロンの精度でシリコンウエハの選択された深さに選択的に導入することができる。もちろん、使われるイオンのタイプおよび処理条件は用途に依存する。
【００９７】
具体的実施形態では、約１５μｍから約２００μｍまでの幅の厚さのシリコン膜を、約１ＭｅＶから約５ＭｅＶの幅のエネルギーを有する陽子注入を用いて形成することができる。この厚さの幅は、自立シリコン層として使うことができる厚さの単結晶シリコンの分離を可能にする。本発明の実施形態による１５−２００μｍの幅の厚さを有する自立シリコン層は、従来のウエハ切断、エッチング、またはポリッシング処理に代えるために使うことができる。したがって、従来の分離手法では約５０％のカーフロス（カーフロスは切断およびウエハリング作業中の材料損失として定義される）が生じることが予期されるが、本発明の実施形態による手法は事実上カーフロスが無く、結果的に実質的なコスト削減および材料利用の効率の向上になる。
【００９８】
特定の実施形態では、５ＭｅＶより高い注入エネルギーを使うことができる。このような高エネルギーの注入は、半導体素子の製造の代替材料の基板としての自立層を製造するために有用である。しかし、太陽電池の製造では、２００μｍ以下の厚さの自立材料が一般的に望まれる。
【００９９】
図９を参照すると、本発明による方法２００の実施形態では、劈開領域６０３内に複数のゲッタリングサイトをさらに形成するために、バルク材料６００に熱処理工程を選択的に実行することができる。つまり、熱処理工程は、欠陥ネットワーク内に置かれた複数の第１の粒子を固定するために劈開領域６０３をアニーリングおよび／または急冷する。具体的実施形態では、この工程は、所望の熱処理温度の達成を補償するために表面領域６０１の上からＣＷおよび／またはパルス放射熱６０５および底部から熱伝導６０７を利用することができる。ジュール加熱または誘導加熱の流れ６０８も利用することができる。例えば、温度制御は装置１００を用いて実行される。
【０１００】
具体的実施形態では、方法２００の工程２６０はさらに、図９の概略図に示したように、バルク材料の表面領域を第２の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含む。第２の複数の高エネルギー粒子７０５は、例えば線形加速器を備えた装置１００内の注入装置１４０などの注入装置を使うことで生成することができる。図示したように、この方法は、バルク材料７００に供給される、第２の複数の高エネルギー粒子７０５を含む。第２の複数の高エネルギー粒子７０５は劈開領域７０３に導入され、第１の応力レベルから第２の応力レベルに劈開領域の応力レベルを上昇させる。特定の実施形態では、バルク材料は例えば約２０℃と５００℃の間の幅の、第１の温度より高い、第２の温度に保たれる。例えば、第２の温度は装置１００および工程２２０、２３０および２４０を実行することによって制御される。もちろん、使われるイオンのタイプおよび工程条件は用途に依存する。
【０１０１】
例として第２注入段階でバルク単結晶シリコン材料に注入される種として水素を使うと、注入工程は特定の一連の条件を用いて実行される。注入ドーズは約５×１０15から約５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2におよび、好ましくは、ドーズは約１−５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満である。注入エネルギーは、発電用途のために有用な厚膜の形成に対して、約１ＭｅＶから約５ＭｅＶ以上に及ぶ。注入ドーズ率は、５００マイクロアンペアから５０ミリアンペアまで供給することができ、全ドーズ率は拡大されたビーム領域中で注入率を積分することによって計算することができる。注入温度は、約２５０℃から約５５０℃まで及び、好ましくは約４００℃超である。水素イオンは、約±０．０３から±３ミクロンの精度でシリコンウエハの選択された深さに選択的に導入することができる。具体的実施形態では、温度およびドーズは劈開領域内で単原子水素の水素分子への効率的な変換を可能にするように選択されるが、一方で単原子水素の多少の拡散があり得る。もちろん、使われるイオンのタイプおよび工程条件は用途に依存する。
【０１０２】
本発明の具体的実施形態では、適切なビーム強度を有する、質量選別高エネルギー注入手法を使うことができる。コスト効率を良くするため、注入ビーム電流は数十ミリアンペアの程度のＨ+またはＨ-イオンビーム電流にすべきである。システムが十分高エネルギーを注入できる場合、高ドーズ率を達成するためにＨ2+イオンを有利に使うこともできる。このような注入装置は高周波四重極加速器（ＲＦＱ−Ｌｉｎａｃ）またはドリフト管リニアック（ＤＴＬ）、またはＲＦ収束櫛型（ＲＦ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）（ＲＦＩ）技術などを使うことにより最近利用できるようになった。これらは、カリフォルニア州プレザントンのＡｃｃｓｙｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．、ＮＭ８７１０９、アルバカーキーのＬｉｎａｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＬＬＣなどの会社から入手できる。
【０１０３】
任意選択で、本発明による方法２００の工程２５０はさらに、注入工程後の熱処理工程を含む。ある特定の実施形態では、シリコン材料に対して約４５０℃から約６００℃までの熱工程を利用する。好適な実施形態では、少なくとも部分的に方法２００の温度制御工程２２０、２３０、および２４０を実行することによって、熱処理を実行することができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１０４】
図５を参照すると、劈開工程はシステム１００内で生じさせることができ、いったん表面温度Ｔsが設定処理温度Ｔpに到達すると、方法２００の工程段階２６０が劈開工程を開始するために実行される。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１０５】
本発明による方法の具体的実施形態は、劈開工程を用いて自立層を分離する段階を含み、一方で自立層は図１１に示したように、上を覆う常設の支持部材などは存在しない。示したように、自立層８１０は残っているバルク材料８００から取り除かれる。具体的実施形態では、分離する段階は制御された劈開工程を用いて実行することができる。制御された劈開工程は劈開領域の一部に選択されたエネルギーを提供する。単なる例であるが、制御された劈開工程は、カリフォルニア州サンノゼのＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｅｎｅｓｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｌｅａｖｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓを発明の名称とする米国特許第６，０１３，５６３号に記載されており、全ての目的で参照としてここに援用する。示したように、本発明の実施形態による方法は、自立層を完全に分離するためにバルク材料から自立厚膜を取り除く。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１０６】
本発明の所定の実施形態では、劈開動作の開始を促進するための一つまたは複数のパターン領域を用いてもよい。このような方法は、劈開領域内に複数のゲッタリングサイトのパターン領域を形成するために、半導体基板の表面領域を線形加速器により生成された第１の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含んでもよい。本発明による方法の一つの実施形態では、劈開領域は分離される材料の層を規定する表面領域の下に設けられる。半導体基板は第１の温度に維持される。この方法はまた、半導体基板に処理工程、例えば熱処理にかけることを含む。この方法は半導体基板の表面領域を第２の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含み、これは劈開領域の応力レベルを第１の応力レベルから第２の応力レベルに増加させることをもたらす。この方法は、劈開工程を用いて分離可能な材料の層の部分を分離するためにパターン領域の選択された領域で劈開動作を開始させ、劈開工程を用いて分離可能な材料の層を取り除くことを含む。
【０１０７】
このようなパターン注入シーケンスは表面をドーズの変動にさらし、開始領域は通常、より高いドーズおよび／またはサーマルバジェットシーケンス（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を用いて発達する。劈開動作を完了させるための劈開動作の伝搬は、（ｉ）伝搬する劈開フロントを案内するための追加のドーズ領域、（ｉｉ）劈開される深さを案内するための応力制御、および／または（ｉｉｉ）自然の結晶劈開面、を使うことにより起こすことができる。いくつかのまたは大抵の領域は、使われた特定の劈開技術によってより少ないドーズで注入（または全く注入されない）することができる。このようなより少ないドーズ領域は、基板から各膜を分離するために必要な全ドーズを低減することによって注入システムの全体的な生産性を向上させるのに役立てることができる。
【０１０８】
具体的実施形態によれば、より高くドーズされた開始領域の生成は、領域のドーズを同時に増加させ、一方でその領域を加熱して局所的な膜の分離のための領域を用意する注入ビーム自体の使用により促進させることができる。分離は、注入ビーム工程中または注入後の別の熱工程段階を用いてその場で達成することができる。開始領域の状態を測定およびフィードバックするためのセンサの使用は、正確で制御された局所的な膜の分離を可能とし、劈開が生じた直後の層の加熱または損傷を避けるのに役立てることができる。
【０１０９】
本方法の具体的実施形態は他の工程で実行することができる。例えば、この方法は、後に処理される支持部材に接触する自立層を配置することができる。追加的にまたは選択的に、本発明の実施形態による方法は、表面領域を第１の高エネルギー粒子にさらす前に、バルク材料に一つまたは複数の工程を実行する。特定の実施形態によるが、この工程は、太陽電池、集積回路、光学素子、これらの任意の組み合わせなどの形成のためのものとなり得る。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１１０】
自立材料の厚さは、本発明の実施形態に応じて１５ミクロン以下から２００ミクロンまで異なり得る。例えば、この手法を利用したシリコンインゴットの厚さの約７０％の劈開は、それぞれが１００μｍの厚さを有する３５０の自立単結晶シリコン膜を生産することができる。１ｍ2は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を持つ約４５のタイル表面に相当するので、約７．８ｍ2のシリコンの表面積をこのような５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。この自立材料の層は、光起電素子、３ＤＭＥＭＳまたは集積回路、ＩＣパッケージング、半導体基板製造、半導体素子、これらの任意の組み合わせなどの用途のための高品質半導体材料を提供するためにさらに処理される。本方法の一つ実施形態は、特に極めて効率の良い太陽電池のための単結晶シリコンを提供する。特定の実施形態は、エネルギー粒子の低初期ドーズを使い、これは工程をコスト効率良く効果的にすることを可能する。
【０１１１】
図５を参照すると、バルク材料からそれぞれの自立膜が取り除かれた後、方法２００の工程２７０を、特に一つまたは複数の自立膜を製造モードで製造するために実行することができる。この工程は、残りのバルク材料が最初のバルク材料の３０％未満であるかを決定するための位置センサデータを読むことを含む。それはまた、残りのバルク材料の長さを検知して保存された最初の長さと比べることに言い換えられる。一度センサ測定値が残っているバルク材料の長さが３０％未満であることを示すと、制御装置は工程の終了を命令するための信号を送ることができ、そして残っているバルク材料を除去することが後に続く。劈開されていない残りの３０％のバルク材料は、劈開のための新しいバルク材料を製造するための高度に純化された出発材料として溶融物に戻すことができる。位置センサ測定値が残りのバルク材料の長さが３０％超であることを示す場合、方法２００は残りのバルク材料での次の工程段階に導く。他の具体的実施形態では、位置センサは部分的に、残りのバルク材料の熱容量に関連する新しい入力データを提供することもできる。新しい入力データは、次の工程段階のための更新された制御ルーチンを決定するために処理することができる。
【０１１２】
方法２００の次の工程段階２８０は残りのバルク材料に関連したより多くのセンサデータをチェックすることを含み、これはまた生産モードで一つまたは複数の自立膜を製造するためのこの方法の応用にも関連する。この工程段階では、残りのバルク材料の表面領域の表面粗さが検査される。工程２８０は、残りのバルク材料の表面粗さを計測するための一つまたは複数のその場のプローブを用いることを含む。計測された表面粗さパラメータ（または表面欠陥を含む他の特性）は、所定の基準と比較される。ある実施形態では、工程２８０において基準が満たされると、劈開された膜の品質が許容でき、残りのバルク材料が新しい劈開工程サイクルに適合可能であることも示している。方法２００の工程の流れは、工程段階２２０に戻され、そして工程２３０、２４０、２５０、および２６０が再び続く。
【０１１３】
他の実施形態では、工程２８０において基準が満たされないと、劈開後の表面に修復が必要であるかあるいはバルク材料に修復が必要であることを示す。したがって、工程の流れは、残りのバルク材料のための表面処理が適用される工程段階２１０に戻される。一つの例では、比較的高いコストになり得るが、表面に再ラッピングおよび／または再ポリッシング処理が実行され、つまり工程の流れは完全に工程２１０にリセットされる。他の例では、増加したドーズのイオンビームの使用、または表面のエッチングの実行、またはスピン蒸着（ｓｐｉｎ−ｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）による薄い滑らかな層の追加などのよりコストの少ない工程を基準が満たされるまで表面粗さを潰すために実行してもよい。
【０１１４】
図１２は、本発明の一つの実施形態に従ったバルク材料からの複数の自立膜の形成の概略図を示す。単結晶シリコンインゴット９００は、５ｃｍの原厚を示し、１５ｃｍ×１５ｃｍの側面寸法を有する。単結晶シリコンの密度は約２．３２ｇｍ／ｃｍ3なので、このバルク単結晶シリコン材料の重さは１５×１５×５×２．３２＝２．６１Ｋｇである。したがって、本発明の実施形態による手法を利用したこのようなインゴット９００の約７０％の厚さの劈開は、それぞれが１００μｍの厚さを有する、３５０の自立単結晶シリコン膜９１０を製造する。１ｍ2は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を持つ約４５のタイル表面に相当するので、約７．８ｍ2のトータルのシリコンの表面積を５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。単結晶シリコンから劈開されないインゴットの残りの３０％は、劈開のための新しいインゴットを製造するための高度に純化された出発材料として溶融物に戻すことができる。
【０１１５】
本発明の代替実施形態によれば、シード層がさらにヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層のために提供される。ヘテロ構造エピタキシャルプロセスは特に薄い多接合光電池を形成するために使うことができる。単なる例であるが、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ層をゲルマニウムシード層にヘテロエピタキシャルに蒸着することができ、これは本発明の実施形態の注入工程を用いて形成した自立層である。
【０１１６】
上記は具体的実施形態の全ての記述であるが、様々な修正、代替構造、および均等物が用いられ得る。例えば、上述の実施形態ではバルク材料は温度制御ステージに直接接触していたが、本発明では、これは必須ではない。代替実施形態によれば、バルク材料の底部分はバルク材料と温度制御ステージの間に介在するアダプタまたはインターフェースプレートに固定することができる。
【０１１７】
図１３Ａ−Ｅは、本発明の実施形態で用いられるバルク材料を温度制御ステージに固定するための様々な方法を示す。図１３Ａの実施形態は前述のものと類似しており、バルク材料の側部のノッチに係合するクランプを用いて、バルク材料の底部分は温度制御チャックのＯリングに直接接触して固定される。
【０１１８】
それに対して、図１３Ｂの実施形態は、タイルを保持する接着剤１３２６を利用してタイル（バルク材料）１３２２の下部表面１３２２ａを固定するアダプタ板１３２０を利用する。この特定の実施形態では、アダプタ板はタイルの底部の表面領域よりわずかに小さいが、これは必須ではない。代替実施形態では、アダプタ板をタイルの底部の表面と同じサイズであるか、より大きくすることができる。
【０１１９】
図１３Ｂの特定の実施形態はまた、ノッチ１３２８を有するアダプタ板を示す。これは必須ではなく、アダプタ板はこのようなノッチを有する必要はない。
【０１２０】
図１３Ｃは、温度制御チャックに固定される図１３Ｂのタイル−アダプタ板の構造を示す。具体的には、タイルと接触する面と反対のアダプタ面は、温度制御チャックの凹所内に位置するＯリングに接触してシールされる。温度制御チャックはアダプタの背面を冷却ガスにさらすように構成され、したがってその温度および接触しているタイルの温度を制御する。
【０１２１】
アダプタ板の環境に応じて、異なるアダプタクランプを使うことができる。例えば、大気中での応用は真空チャックの使用を可能にする。図１３Ｃの特定の実施形態では、アダプタは吸引のみを通じてチャックと接触するように保持され、アダプタのクランプ溝に係合するクランプは示されていない。しかし、他の実施形態では、クランプは、アダプタと温度制御ステージ間の確実な接触を確保するためにアダプタのクランプ溝に係合できる。さらに他の実施形態では、アダプタ板は、真空の適用または静電気力を用いて温度制御チャックに固定することができる。
【０１２２】
図１３Ｄは、本発明による、さらに他の構造の概略断面図を示し、タイル１３２４に面するアダプタ板１３３０の表面１３３０ａはＯリング１３３４を受け入れるように構成された凹所１３３２を備える。凹所１３３２は、端部領域１３３４の内側に位置し、内部領域１３３６を囲む。この実施形態では、凹所１３３２はＯリングを保持する働きをするだけでなく、タイルとアダプタ板が互いに接着される場合に、内部領域１３３６内にタイル保持接着剤の広がりを制限する働きをする。
【０１２３】
図１３Ｅは、温度制御チャックに固定された図１３Ｄのタイル−アダプタ板の構成を示す。具体的には、タイルに接触する面と反対のアダプタの面は温度制御チャックの凹所内に位置するＯリングに接触してシールされる。温度制御チャックはアダプタの背面を冷却ガスにさらすように構成され、したがってその温度およびアダプタ板に接触しているタイルの温度を制御する。
【０１２４】
図１３Ｅの特定の実施形態では、アダプタは、アダプタ板の側部に位置するクランプ溝に係合するように構成されたクランプを用いて、チャックと接触して保持される。しかし、本発明では、これは必須ではなく、代替実施形態では、アダプタ板を他の方法、例えば真空の適用または静電気力を用いて温度制御チャックに固定することができる。
【０１２５】
上記は段階の選択されたシーケンスを用いて記述されていたが、段階の任意の要素の組み合わせや他の要素を使うこともできる。さらに、特定の段階を、実施形態に応じて組み合わせるおよび／または取り除くことができる。さらに、水素粒子は、代替実施形態による改修されたドーズおよび／または劈開特性を有する劈開面の形成を可能にするために、ヘリウムおよび水素イオンの共注入（ｃｏ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を使うことに置き変えることができる。共注入の他の形態は、一つまたは複数のサブステップで水素の代わりに重水素に置き換えることを含む。シリコンへの１−１０ＭｅＶでの重水素の注入は、約３倍より大きい原子変位を生み、したがって図９の劈開領域６０３内の複数のゲッタリングサイトの形成をより効率的にすることができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。例えば、第２の蓄積注入は、水素または重水素によるゲッタ領域蓄積が拡散工程によって生じる水素化または重水素化段階に置き換えることができる。したがって、前述の説明及び図示は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲を限定するように解釈するべきではない。
【０１２６】
ここに記述された例および実施形態は説明目的のためだけのものであり、それに照らして様々な改良や変形が当業者に提示され、これらが明細書の趣旨および範囲そして添付の特許請求の範囲に含まれることもまた理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の実施形態による厚膜材料の製造の温度制御装置の簡略図を示す。
【図１Ａ】本発明の実施形態による図１の装置に備えられた制御装置の簡略図を示す。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による図１Ａの制御装置に含まれるコンピュータシステム内のサブシステムのより詳細な図を示す。
【図２Ａ】本発明の実施形態による側部領域の溝を介して機械的クランプ装置によりステージに保持されたバルク材料の簡略断面図を示す。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による機械的クランプ装置によりクランプされる円形断面形状のバルク材料の簡略上面図を示す。
【図２Ｃ】本発明の他の実施形態による機械的クランプ装置によりクランプされる六角断面形状のバルク材料の簡略上面図を示す。
【図２Ｄ】本発明の他の実施形態による底部領域においてロック構造を介して機械的クランプ装置によりクランプされるバルク材料の簡略断面図を示す。
【図２Ｅ】本発明の実施形態による溝のない側部領域で直接機械的クランプ装置によりステージに保持されるバルク材料の簡略断面図を示す。
【図２Ｆ】本発明の実施形態による溝のない側部領域で直接機械的クランプ装置によりクランプされる図２Ｅのバルク材料の簡略上面図を示す。
【図３】本発明の実施形態による閉ループの溝を有するバルク材料の底部領域の簡略図を示す。
【図４】本発明の実施形態によるバルク材料の底部とステージの間にガスを充填したキャビティを用いてステージにクランプによって保持されるバルク材料の簡略断面図を示す。
【図５】本発明の実施形態による注入および劈開工程中の温度制御方法を説明する簡略フローチャートを示す。
【図６】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図７】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図８】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図９】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図１０】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図１１】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図１２】本発明の実施形態によるバルク材料から分離される複数の自立厚膜の簡略図を示す。
【図１３Ａ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｄ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｅ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は全ての目的で全体を参照としてここに援用する２００７年１月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／８８６，９１２号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は概して、材料を製造する方法および装置を含む技術に関する。より詳しくは、本方法および装置は、シリコンインゴットなどバルク形態の材料から自立厚膜を劈開するための温度制御を含む。このような自立厚膜は太陽電池などの光起電材料として有益である。しかし、本発明の実施形態はより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体素子、光素子、圧電素子、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、半導体基板製造、生物学および生物医学装置などの３次元パッケージングなど、他の応用にも適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
太古から、人間はほとんど全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、および様々な形態の熱エネルギーによってもたらされる。単なる例であるが、人間は需要の大半を石炭やガスなどの石油資源に大幅に頼っている。残念なことに、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。単なる例であるが、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。
【０００４】
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ホールを形成する。用途によるが、太陽電池は効率を向上させるために集光素子を集積している。例としては、日射を活性光起電材料の一つまたは複数の部分に導く集光要素を用いて太陽光を集め焦点を合わせる。効率的ではあるが、これらの太陽電池は未だに多くの制限がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単なる例であるが、太陽電池はシリコンなどの出発材料に依存する。このようなシリコンは大抵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。これらの材料は大抵製造するのが困難である。ポリシリコン電池は大抵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。これらのポリシリコンプレートはコスト効率の良い方法で形成することができる一方、太陽エネルギーを捕集し、捕集した太陽エネルギーを使用可能な電力に変換することにおいての最高効率は示さない。反対に、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示す。しかし、このような単結晶シリコンは製造するのが高価で、有効でコスト効率の良い方法で太陽光を利用する用途に使うことは困難である。特に、太陽電池に組み込むために単結晶シリコン基板を製造する技術は、当初に成長した単結晶シリコンインゴットから単結晶シリコン厚膜の分離を必要とする。
【０００６】
上述のことから、太陽電池を含む集積回路装置の応用のための自立厚膜を製造する改良された技術が望まれていることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施態様は概して、シリコンインゴットなどバルク形態の材料から自立厚膜（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｉｃｋ ｆｉｌｍｓ）を劈開（ｃｌｅａｖｉｎｇ）する間の温度制御の方法および装置を含む技術に関する。このような自立厚膜は太陽電池などの光起電材料として有益である。しかし、本発明にはより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体素子、光素子、圧電素子、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、半導体基板製造、生物学および生物医学装置などの３次元パッケージングなど、他の応用にも適用することができる。
【０００８】
厚さが１５μｍ以上の半導体材料の自立厚膜は、所望の表面温度でイオン種の注入（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を活用したバルク材料から劈開（クリーブ（ｃｌｅａｖｅ））される。ある実施形態では、劈開には、機械的クランプ装置を用いて温度制御されたステージ上でシールを介してバルク材料を着脱自在に保持し、その後、劈開領域を作るためにイオンなどの粒子を第１の低い温度で注入し、次に劈開領域の応力を高めるためにイオンなどの粒子を第２の高い温度で注入することが含まれる。他の実施形態では、温度制御されたステージと前記バルク材料の底部の間のシールは圧力調整可能にガスを充填することのできる薄いキャビティを形成する。さらに別の実施形態では、薄いキャビティのガス圧を調整することにより、バルク材料の表面から底部への熱伝導や、さらに注入のための表面温度が制御される。特定の実施形態では、バルク材料の底部はバルク材料の取り付けと取り扱いを容易にすることができる熱的および機械的アダプタ板に接着される（例えば熱伝導性の接着剤または熱伝導性のエポキシを使う）。特定の実施形態では、アダプタ板は断面がバルク材料より僅かに大きいか、小さいか、または同じサイズである。特定の実施形態によれば、アダプタ板は他のバルク基板に再使用できる。結果として生じた劈開された単結晶シリコンなどの半導体材料の自立厚膜は、特に太陽エネルギーの収集に使うのに適している。
【０００９】
具体的な実施形態では、本発明は厚膜材料製造の温度制御装置を提供する。この装置は注入されるバルク材料を支持するための平面を備えるステージを有する。前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有する。前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は、前記底部領域と前記表面領域の間に規定される長さを持つ材料の体積を提供する。この装置はさらに、熱エネルギーが前記バルク材料と前記ステージの平面領域間の界面領域を通じて熱エネルギーが移転するよう前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域が実質的に露出するよう、前記バルク材料の底部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を有する。そのうえ、この装置は表面領域の温度を測定するよう構成されたセンサ装置を有する。このセンサ装置は入力データを生成するように構成される。さらに、この装置は前記バルク材料の表面領域の一つまたは複数の部分に複数の粒子の注入を行うように構成された注入装置を有する。さらに、この装置は、前記入力データを受信し、少なくとも前記ステージの平面と前記バルク材料の底部領域との間の前記界面領域を通じて前記バルク材料の表面領域の温度値を上昇および／または下降させるよう前記入力データを処理するように構成された制御装置を有する。
【００１０】
別の具体的な実施形態では、本発明は一つまたは複数の厚膜を製造するためのバルク材料を取り付ける装置を提供する。この装置は前記バルク材料を支持するための平面を備えたステージを有する。前記バルク材料は、平坦化された表面領域、平坦化された端部領域、および前記表面領域から前記端部領域までの長さを持つ側部領域を有する。この装置はさらに、前記表面領域と前記表面領域から少なくとも７０％の長さの前記側部領域が実質的に露出され、一つまたは複数の厚膜の製造のためにクランプ装置の干渉無しに劈開できるよう、前記バルク材料の平坦化された端部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を有する。
【００１１】
さらに別の具体的な実施形態では、本発明はバルク材料から複数の自立厚膜を劈開する工程中の温度制御方法を提供する。この方法は劈開する前記バルク材料を用意することを含む。前記バルク材料は、表面領域、底部領域、前記表面領域から前記底部領域までの長さを持つ側部領域を有する。さらに、この方法は、前記底部領域と平面との間にある高さを有するキャビティを形成するよう、前記バルク材料の底部領域がシールを介してステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク材料をクランプすることを含む。この平面は前記キャビティに充填されたガスを圧力調整可能にする複数のガス通路を有する。この方法はさらに入力データを生成するために前記バルク材料の状態を検知することを含む。この入力データには前記表面領域および前記底部領域での温度情報、および前記表面領域と前記底部領域間の前記バルク材料の長さが含まれる。さらに、この方法は、少なくとも前記入力データを処理し、前記表面領域を加熱するための粒子照射と、前記表面領域を加熱するための放射と、前記底部領域と前記ステージ間のガスを補助に用いる伝導のうち少なくとも一つまたは複数を利用した制御方式を実行することで前記表面領域の温度を維持することを含む。
【００１２】
また別の具体的な実施形態では、本発明は厚膜転写のために半導体材料を処理する方法を提供する。この方法はバルク半導体材料をステージの平面に設けることを含む。前記バルク半導体材料は、表面領域、側部領域、および底部領域を有する。前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は、前記底部領域と前記表面領域の間で規定される長さを有する材料の体積を提供する。前記底部領域は前記ステージの平面に結合する。そのうえ、この方法は、前記バルク材料と前記ステージの平面領域間で熱エネルギーの移動が生じるよう前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域は実質的に露出されるよう、前記バルク材料の底部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク半導体材料を固定することを含む。さらに、この方法は、前記表面領域が実質的に露出されて前記機械的クランプ装置により前記ステージの平面に保持される間に前記バルク材料の表面領域を処理することを含む。
【００１３】
さらに別の実施形態では、本発明はバルク材料から自立膜を連続的に劈開する方法を提供する。この方法は機械的クランプ装置を用いてバルク材料をステージに固定することを含む。前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有する。前記表面領域は前記側部領域に接続し、体積を規定するよう前記側部領域から約９０度の角度に向けられる。前記機械的クランプ装置は前記底部領域が前記ステージにしっかりと係合するよう前記バルク材料の底部領域および／または側部領域と結合するように設けられる。さらに、この方法は、前記表面領域の法線方向の物理的障害が実質的に何も無いように前記表面領域を保持することを含む。この方法はさらに、前記表面領域が前記表面領域の処理からの物理的干渉が実質的に何も無い間に少なくとも前記表面領域を処理することを含む。そのうえ、この方法は前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することを含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、表面領域と対向するバルク材料の底部領域は、アダプタまたはインターフェース板を介して熱的および機械的に接触することができる。前記バルク材料は、温度制御ステージに取り付けられた板の対向面で、このようなアダプタ板に接着剤または他の手法を用いて固定される。アダプタ板の特定の実施形態では、クランプ取付も可能になる。このような実施形態では、クランプ取付を用いた前記アダプタ板は前記バルク材料を直接クランプする要件を排除し、前記バルク材料を前記底部領域近くで劈開することを可能にすることによりバルク材料の利用率を改善する。
【００１５】
本発明の実施形態によるアダプタ板の利用はまた、前記バルク材料の底部領域の平坦化の許容範囲を好適に緩めることもでき、したがってコストを削減することができる。例えば、特定の条件下でインゴットの底部は僅かに凹凸があるようにできる。しかし、この凹凸は前記アダプタとサセプタ間のアタッチメントによって埋め合わせることができる。特に、前記アダプタは前記インゴットを位置調整するためのピンまたはシートを有し得る。
【００１６】
具体的実施形態において、前記バルク材料と接触する前記アダプタ板の側部は、シール部材の一部を受容するように構成された凹部領域を有し得る。このようなシール部材は、適切な材料（例えばデュポンパフォーマンスエラストマー（ＤｕＰｏｎｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ Ｌ．Ｌ．Ｃ．）製のカルレッツ（Ｋａｌｒｅｚ）（商標））から作られたＯリングとすることができ、前記アダプタ板の端部領域の近傍に配置される。特定の実施形態では、接着剤を前記端部領域の内部領域内に塗布することができ、前記Ｏリングは接着材料を前記内部領域に密封し保持する。
【００１７】
特定の実施形態によれば、電気伝導性が前記アダプタ板と前記バルク材料の間に与えられる。シーティングピンまたは他の型の接続装置はＯリング内に規定された前記内部領域内、または特定の実施形態でのＯリングの無いチャックの内部領域内に、空間的に配置することができる。このようなシーティングピンは前記バルク材料を前記アダプタに電気的および機械的に結合することができる。
【００１８】
本発明の実施形態を利用して既存の技術に対して多くの利点を得ることができる。特に、本発明の実施形態は、コスト効率の良い線形加速器装置および層転写技術のための高エネルギー注入プロセスを提供する方法を用いる。このような線形加速器装置には、ドリフト管技術、一般にＲＦＱと呼ばれる高周波四重極型、またはこれらの組み合わせ（例えば、ドリフト管リニアックまたはＲＦＩ（ＲＦ収束インターデジタル（ＲＦ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ））線形加速器と組み合わされたＲＦＱ）、および他の適切な技術が含まれるが、これに限定されるものではない。線形加速器装置の例は同一出願人による米国仮出願第６０／８６４５８４号に見ることができ、全ての目的で参照としてここに援用する。好適な実施形態において、本方法および装置はドナー基板の劈開面によって画定される転写可能な材料の層を形成する。この転写可能な材料の層は光起電性素子、３次元ＭＥＭＳまたは集積回路、ＩＣパッケージング、半導体素子、これらの任意の組み合わせなどの応用のための高品質半導体材料を提供するためにさらに処理される。好適な実施形態では、本方法は特に高効率の光電池のための単結晶シリコンを提供する。好適な実施形態では、本方法および構造は低初期ドーズのエネルギー粒子を使うので、これは工程を費用効果が高く効率的にすることを可能とする。加えて、本方法および構造は大面積基板の製造を可能にする。本発明は、所望の形状の薄いシリコン材料板（例えば、５０μｍ−２００μｍの厚さでサイズが１５ｃｍ×１５ｃｍから１ｍ×１ｍ以上までのポリシリコンプレート）を作ることに応用できることがわかるであろう。代替の好適な実施形態では、本発明の実施形態は、さらにヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層を提供することができるシード層を提供することができる。前記ヘテロ構造エピタキシャルプロセスは特に薄い多接合光電池の形成に使うことができる。単なる例であるが、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ層をゲルマニウムシード層にヘテロエピタキシャルに蒸着することができ、これは本発明の実施形態の注入工程を用いて形成した転写された層である。具体的実施形態において、本方法は単一のインゴット、例えばシリコンブールから連続的に複数のスライスを劈開することに適用できる。つまり、具体的実施形態に従ってこの方法は連続的にスライスを劈開することを繰り返すことができる（一塊の焼いたパンから薄切りを切るのに類似する）。好適な実施形態において、本発明は機械的および熱的な用途のためにバルクシリコンインゴットを固定するためのクランプおよび／または保持装置および関連した方法を提供する。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００１９】
これらのおよび他の利点は本明細書を通じてより詳しくは以下に記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は概して、材料を製造する方法および装置を含む技術に関する。より詳しくは、本方法および装置は、シリコンインゴットなどバルク形態の材料から自立厚膜を劈開するための温度制御を含む。このような自立厚膜は太陽電池などの光起電材料として有益である。しかし、本発明の実施形態はより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体素子、光素子、圧電素子、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、半導体基板製造、生物学および生物医学装置などの３次元パッケージングなど、他の応用にも適用することができる。
【００２１】
ここで使われる「バルク材料」の語は、大部分均一な自立する単結晶またはポリ結晶材料の塊、例えば単結晶シリコンブールまたはその一部分を示す。あるいは、本特許出願の目的から、「バルク材料」の語はまた、一または複数の追加要素を結合させた大部分均一な単結晶またはポリ結晶材料、例えば以下に記述される様々なアダプタ板の実施形態、そして、このようなアダプタ板を大部分均一な単結晶またはポリ結晶材料に固定するために使用される任意のＯリングや他の要素を示す。
【００２２】
１５μｍ以上の厚さを有する半導体材料の自立厚膜は、ＭｅＶのエネルギーレベルでイオン種の注入を利用したバルク材料から劈開することができる。一つの実施形態では、劈開には、劈開領域を作るためにイオン粒子を第１の低い温度で注入し、次に劈開領域の応力を高めるためにイオン粒子を第２の高い温度で注入することが含まれる。この方法でのバルク材料の劈開は、歯またはワイヤーカットのカーフで従来失われる半導体材料の量を実質的に削減する。結果として生じた単結晶シリコンなどの半導体材料の劈開された自立厚膜は、特に太陽エネルギーの収集に適している。
【００２３】
以下の開示のために、「自立厚膜」は、ハンドルや転写基板などの支持部材と接触するおよび／または支持部材の機械的支持を必要とすることなく、その構造的完全性を保持できる（つまり、砕けたり粉々に壊れたりしない）材料の膜として定義される。通常は、薄膜（例えば５−１０μｍ以下の厚さを有するシリコン膜）は壊すことなく扱うことができない。従来、このような薄膜は支持構造を用いて扱われるが、そもそも薄膜を作る必要がある。厚膜（例えば１５−５０μｍの厚さを有するシリコン膜）の扱いは支持の使用によって容易になるが、このような支持は必須ではない。したがって、本発明の実施形態は１５μｍ超の厚さを有するシリコンの自立厚膜の製造に関連する。
【００２４】
１５０μｍまでの厚さの自立厚膜を、イオン注入によって作られた劈開領域から制御された劈開工程によってうまく分離することを確実にするために、具体的実施形態に従ってバルク材料の行き届いた温度制御を行うことが望ましい。特に最適温度制御は、注入および劈開工程中の一つまたは複数の熱源および／または熱出力のシンクをバランスさせることにより達成することができる。温度制御についての詳細は、本明細書を通じて、特に以下に詳述される。
【００２５】
大抵の熱出力管理が関連するのは、具体的実施形態のＣＷ（定常状態）熱出力である。ＣＷ出力フラックスソースおよび／またはシンク（ｓｉｎｋ）は次の一つまたは複数であり得る。（ｉ）高熱伝導率の裏面接触、つまりガス層界面領域を介した加熱または冷却、を介してバルク材料と適切に係合する平面を備えた温度制御されたステージ、（ｉｉ）バルク材料体積中に電流を流すことによるＩＲ加熱源（電磁誘導加熱源）、および（ｉｉｉ）上方から表面を加熱するための投光照明または他の適切なＣＷ放射源、およびこれらの任意の組み合わせ。もちろん、当業者の中には他の変形形態、修正形態、代替形態を認識する者もいるであろう。
【００２６】
具体的実施形態において、これらのＣＷソースまたはシンクの目的は、できるだけ正確かつ素早く、劈開領域と劈開領域を覆うシリコン層で規定される、バルク材料の処理領域を所望の範囲に設定することである。これらの熱源（ソース）またはシンクは、処理領域の所望の全温度プロフィールを達成するために、表面およびバルク温度測定を通じて電子制御装置を介して制御することができる。もちろん、当業者の中には他の変形形態、修正形態、代替形態を認識する者もいるであろう。
【００２７】
追加の熱出力ソースは、具体的実施形態によれば、注入照射自体である。従来の注入装置は５０−１００ｋＷのビーム出力を照射下の表面に届けることができる。これは、注入による劈開領域形成中の実質的な追加の加熱源である。劈開領域は基本的に、注入された高エネルギーイオン粒子の範囲端（Ｅｎｄ−ｏｆ−Ｒａｎｇｅ）（ＥＯＲ）近くに位置する劈開面周辺の比較的集中した欠陥のネットワークを含み、注入された粒子の運動エネルギーは部分的に熱エネルギーに変換される。この熱源は走査ＣＷまたはパルス熱源になり得、注入装置のデューティファクタや走査速度や粒子ビームの空間的特性を調整することにより部分的に制御することができる。ビーム拡大は、高速電磁スキャニングにより起こり得るが、ビームが所望のビーム直径およびビーム束の空間的分布に自然に広がる距離を越えたビームのドリフトを通じても起こり得る。
【００２８】
出力フラックスが十分小さい場合、拡大ビームの低速走査（または走査すらしない）は表面を過熱することがない。小さいビーム直径、例えば５ｃｍ（これは各タイル内にパターン化した注入ドーズ特性を生成するのに便利である）では、出力フラックスは５−１０ｋｗ／ｃｍ2まで高くなり得、表面の過熱を避けるために磁気または静電気の高速スキャンが必要になる。注入の放射は具体的実施形態による他の形態のエネルギーと組み合わせることもできる。
【００２９】
さらに、具体的実施形態において、表面はまたパルス熱出力フラックスを通じて処理することができる。パルス出力はここでは特定の材料および劈開される膜厚に依存する熱時定数内に届けられる熱パルスとして定義される。例えば、典型的なシリコン処理領域では、時定数は２０−５０μｓｅｃと推定される。より長い熱パルスは疑似ＣＷ（ｑｕａｓｉ−ＣＷ）であり、上述のＣＷソースとして組み合わされる。パルス出力フラックスソースは、フラッシュランプおよび３０−５０μｓｅｃ内にエネルギーがデポジットされるパルスレーザソースを含む。これらのソースにより届けられる熱パルスは、瞬間的に処理領域を必要に応じてバルク材料の融点までそして融点を超えて加熱することができる。
【００３０】
この処理によって意図される効果は劈開エネルギーを低くするよう形成中の劈開領域に剪断応力を加えることである。より具体的には、注入ＥＯＲ内の熱伝導率が非常に低下するので、劈開面を横切って温度差が発生する。この温度差は劈開面を横切る材料間のＣＴＥ（熱膨張係数）の不釣り合いと対応する剪断応力を生じさせる。この剪断応力は、ステージ上のバルク材料を保持する方法により存在する内部応力とシリコンの変位応力などの他の応力に加わる。
【００３１】
この応力は（劈開面のＸ−Ｙ表面に沿う）面内応力であり、劈開面が加熱された場合、応力は圧縮面内応力である。これらは、ポアソン比（シリコンは約０．２７）を乗じた面内応力に比例する量の面外引張応力を順に発生する。この応力値は次の関係によって定量化される。
（数１）
ｓ＝ＥａΔＴ
ここでｓは劈開領域を横切る応力、Ｅはヤング率、ａは熱膨張係数、ΔＴは劈開領域を横切る温度差である。Ｐaの熱出力フラックス密度（Ｗａｔｔｓ／ｃｍ2）を仮定すると、次の関係が保たれる。
（数２）
Ｐa＝κcrΔＴ／ｔcr
ここで、κcrは劈開領域の有効熱伝導率、ｔcrは劈開領域の厚さである。膜を横切る応力はさらに次の式で表すことができる。
（数３）
ｓ＝（ＥａｔcrＰａβ）／κbulk
ここで、βはバルク材料に対する劈開領域の伝導率減衰係数である。したがって、この応力値は、出力フラックスＰaによって決定され、注入ＥＯＲ損傷の量に依存する係数βに関する減衰した熱伝導率にしたがって増加する。例えば、バルク材料がシリコンの場合、βは１００位の大きさである。
【００３２】
剪断応力を増加させるためのパルス出力フラックスを用いた処理は、劈開工程を促進するために必要な注入ドーズを効果的に低減することができ、同時にバルク放射欠陥のアニールを促進する。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００３３】
図１は本発明の実施形態による厚膜材料の製造のための温度制御装置の略図である。この図は単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、修正形態、代替形態を認識するであろう。図１に示したように、温度制御装置１００は、ステージ１２０、機械的クランプ装置１３０、注入装置１４０、センサ装置１５０、および制御装置１６０を備える。平面１２２を有するステージ１２０は、劈開されるバルク材料１１０を支持するために使われる。注入され劈開されるバルク材料１１０は、劈開面１１５と分離されていないシリコン材料１１３の上を覆う膜とから成る処理領域を含む表面領域１１２、側部領域１１７、底部領域１１８、表面領域１１２から底部領域１１８までで規定される長さ１１１によって特徴付けることができる。処理用のバルク材料についてのさらなる詳細は後述する。
【００３４】
図１に一つの実施形態を示したように、ステージ１２０の平面１２２は、機械的クランプ装置１３０を用いて、バルク材料１１０の底部領域１１８と係合する。機械的クランプ装置１３０によるクランプは、バルク材料の（表面領域からの）長さ１１１の少なくとも７０％の側部領域１１７だけでなく表面領域１１２も実質的に露出し、一つまたは複数の自立厚膜の製造をするために劈開される状態になるよう、着脱可能に作用する。例えば、いくつかの実施形態による任意選択のクランプ機構が図２Ａ−２Ｆに示される。ある実施形態では、ステージ１２０と機械的クランプ装置１３０を、ステージの平面１２２と平行な平面内で２次元的に動作可能なトレイ１７０に取り付けることができる。他の実施形態では、ステージ１２０は、一つのＣＷ出力フラックス源またはシンクとしてバルク材料の温度制御に使われる。バルク材料の底部領域とステージの平面間の高熱伝導率のガス層界面領域を介して係合されるバルク材料の底部領域１１８を加熱または冷却することにより、ステージ１２０は劈開工程中の表面領域１１２からの熱フラックス１４８の交換が可能となる。代わりに、機械的クランプ装置１３０を介してバルク材料１１０の体積に電流を流すことにより誘導ジュール熱源を装置１００に適用することもできる。
【００３５】
図１を参照すると、注入装置１４０は、バルク材料の表面領域１１２に所定の出力フラックス１４５を伴うＭｅＶのエネルギーレベルのイオン粒子を注入することによって劈開領域１１５を形成するために用いられる。注入装置１４０はまた、表面領域への粒子照射からの出力フラックス１４５により、注入装置１４０のデューティファクタを調整することによって粒子出力フラックスを調整し、温度制御するために使うこともできる。一つの実施形態では、一つまたは複数の表面領域の上方に配置される投光照明などのＣＷ熱源１４１を、追加の制御可能な放射熱フラックス１４６を提供するために使うことができる。他の実施形態では、一つまたは複数のパルス出力フラックスソース１４２もまた、劈開を促進するための剪断応力を加えるために表面領域１１２に向かう、（側部領域から）特に劈開領域にパルス熱フラックスを提供するために使うこともできる。
【００３６】
センサ装置１５０は、温度センサ、位置センサ、圧力センサ、および表面粗さプローブを含む複数のセンサを備える。バルク材料１１０がステージ１２０に保持されるおよび注入工程中の任意の時点で、センサ装置１５０はその時点のバルク材料１１０の状態に関連する全てのセンサデータを収集する能力がある。センサ装置により記録されたセンサデータは制御装置１６０に送られ、注入とそれに続く劈開工程のためのバルク材料の温度を処方手順の値に変化および保持するための制御ルーチンを決めるためのフィードバック／フィードフォワード制御方式を実行するための入力データとして使われる。
【００３７】
図１Ａは、本発明の実施形態による情報の処理に使われるだけでなく図１の装置１００の動作を監視および実行するために使われる制御装置１６０の略図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの他の修正形態、代替形態、および変形形態を認識するであろう。図示のように、制御装置１６０はコンピュータシステム１７０にリンクする制御電子装置１６２を備える。
【００３８】
具体的実施形態では、制御装置１６０は複数の制御機能を実行するために制御電子装置１６２を使う。例えば、制御電子装置１６２は複数の電子ボードまたはファンクションカードを備える。これらの各ボードはそれぞれ、温度制御機能を実行するためにステージ１２０に連結し、バルク材料１１０を固定または固定を外すために機械的クランプ装置１３０に連結し、注入工程のために注入装置１４０に連結し、温度制御と劈開工程支援の両方のための外部熱源（ＣＷソース１４１やパルスソース１４２など）に連結し、およびセンサ装置１５０に連結してバルク材料の現在の状況に関連する情報を受信しコンピュータシステム１７０のための入力データパケットを生成するように構成することができる。
【００３９】
他の具体的実施形態では、コンピュータシステム１７０は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのオペレーティングシステムＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＮＴが動作するペンティアム（登録商標）クラスをベースにしたコンピュータシステムにすることができる。しかし、このコンピュータシステムは、本発明の範囲を逸脱しない範囲で当業者によって容易に他のオペレーティングシステムやアーキテクチャに適合される。図１Ｂは本発明の実施形態による図１Ａのコンピュータシステム１７０のハードウェア要素のより詳細な図である。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図のように、コンピュータシステム１７０は、中央プロセッサ１７３で実行している複数の制御コード１６５、１６６、１６７のデータを処理するために入力センサデータをＩ／Ｏコントローラ１７１を介して受信し、Ｉ／Ｏコントローラ１７１を介して制御電子回路に出力制御指令／命令を送り返すように構成される。各複数の制御コードは、装置１００での特定の制御機能のために特別に設計されている。例えば、コンピュータシステム１７０で実行している制御コード１６５はバルク材料の表面領域に向けて特定の高エネルギーイオン粒子ビームを届けるための注入装置の動作を制御するためのプログラムであってもよい。他の例では、制御コード１６６は、機械的クランプ装置によって実行されるサンプル取扱手順、またはセンサ装置によって実行されるサンプル監視計画を生成するためのプログラムであってもよい。また他の例では、制御コード１６７は、ステージを冷却するための、クランプを介したジュール熱を加えるための、および／または外部熱源等による表面の加熱のための出力指令の生成が可能なプログラムであってもよい。もちろん、当業者は多くの他の修正形態、代替形態、変形形態を認識するであろう。
【００４０】
具体的実施形態では、全てのハードウェア要素またはコンピュータシステム１７０のサブシステムはシステムバス１７５を介して相互連結される。例えば、プリンタ１７４、キーボード１７８、固定ディスク１７９、ディスプレイアダプタ１７６Ａに接続されるモニタ１７６などのサブシステムが図示される。周辺機器やＩ／Ｏコントローラ１７１に連結する入出力（Ｉ／Ｏ）装置は、シリアルポート１７７など、当技術分野で周知のさまざまな手段によってコンピュータシステムに接続することができる。例えば、シリアルポート１７７はコンピュータシステムを、インターネットなどの広域ネットワークに替わりに接続するモデム、マウス入力装置、またはスキャナなどの外部インターフェース１８０に接続するために使うことができる。システムバス１７５を介した相互接続は、中央プロセッサ１７３に各サブシステムと通信し、システムメモリ１７２または固定ディスク１７９からの命令の実行を制御すること可能にし、また、サブシステム間での情報の交換を可能にする。サブシステムや相互接続の他の配置が当業者によって容易に達成可能である。システムメモリや固定ディスクはコンピュータプログラムの記憶装置の具体的媒体の例であり、具体的媒体の他のタイプにはフロッピーディスク、リムーバブルハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭやバーコードなどの光学的記憶媒体、およびフラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、バッテリバックアップメモリなどの半導体メモリが含まれる。
【００４１】
上記のものは特定のハードウェア機能に関して例証したもので、多くの変形形態、代替形態、修正形態が存在することが認識されるであろう。例えば、どのハードウェア機能も、さらに結合するまたは分離することさえ可能である。この機能はまた、ソフトウェアまたはハードウェアとソフトウェアの組み合わせを通じて、ある程度、実施することができる。ハードウェアとソフトウェアは、アプリケーションに応じて、さらに一体にするまたはより少なく一体化することができる。本発明の機能性のさらなる詳細は、図に基づいて以下に概略説明される。
【００４２】
図２Ａおよび２Ｂは、本発明の実施形態による側部領域の溝を介して機械的クランプ装置によってステージ上に保持されるバルク材料の略図を示す。これらの図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、代替形態、修正形態を認識するであろう。バルク材料１１０Ａは、注入を促進するための平坦化された表面領域を有するように前処理されることに加えて、バルク材料がステージ１２０Ａ上に確実に保持できるよう機械的クランプ装置を受け入れるよう構成された側部領域の一つまたは複数の溝を有するように前処理されてもよい。図２Ａは側部領域周囲を囲む溝とバルク材料をクランプするための溝に適合する機械的クランプ装置の２つのクランプアームの概略側面図を示す。図２Ｂはクランプされた図２Ａに示す同じバルク材料の概略上面図であり、バルク材料が円形断面形状を有すると仮定している。
【００４３】
本発明の実施形態に従って、バルク材料１１０Ａは表面領域から底部領域までの所望の長さを有するように製造することができる。図２Ａに示したように、具体的実施形態では、機械的クランプ装置１３１にクランプされるバルク材料１１０Ａの位置は、表面領域を含むバルク材料の少なくとも７０％部分および側部領域の表面領域からの長さの少なくとも７０％が機械的クランプ装置の干渉なしに加工のために実質的に露出するよう（側部領域上の）底部領域近くに位置する。バルク材料の長さは、材料タイプによるが、具体的装置１００による熱容量および熱伝達の対処能力に基づいて予め定めることができる。バルク材料の長さはまた、膜厚さによるが、バルク材料の劈開からいくつの自立膜を得ることができるかを決定する。
【００４４】
例えば、バルク材料１１０Ａは、５ｃｍの原長を示し、１５ｃｍ×１５ｃｍの側面寸法（約３ｋｇの重さ）を有する単結晶シリコンインゴットにすることができる。一つの実施形態では、このようなインゴットの約７０％の長さの劈開から、本発明の実施形態の技術を利用することにより、それぞれが１００μｍの厚さを有する、３５０の自立単結晶シリコン膜を生産することができる。１ｍ2は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を持つ約４５のタイル表面に相当するので、約７．８ｍ2のシリコンの表面積をこのような５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。他の実施形態では、このようなインゴットの約７０％の長さの劈開から２０μｍの厚さを有する１７５０の自立単結晶シリコン膜を生産することができる。この実施形態では約３９ｍ2のシリコンを５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。単結晶シリコンから劈開されないインゴットの残り３０％は、劈開のための新しいインゴットを製造するため、高度に純化された出発材料として溶融物に戻すことができる。
【００４５】
具体的実施形態では、バルク材料１１０Ａは単結晶シリコンインゴット、ポリ結晶シリコン鋳造ウエハ、タイル、または基板、シリコンゲルマニウムウエハ、III／Ｖ族材料の基板、ＩＩ／ＶＩ族材料、窒化ガリウム、炭化ケイ素などにすることができる。具体的実施形態では、バルク材料は感光材料にすることができる。単結晶シリコンは、効率、コストなどの要因と不純物ゲッタリングなどの後処理との間で求められたトレードオフにより、太陽電池、半導体、または金属グレードの純度水準からなり得る。
【００４６】
どの単結晶材料も、劈開のし易さ、好ましい装置の動作などの利点がある特定方位に切断することができる。例えば、シリコン太陽電池は、このタイプの自立基板を作るために、主に（１００）、（１１０）、または（１１１）の表面方位を有するように切断することができる。もちろん、主要な結晶方位から意図的にミスカットされた方位面を有する出発材料を用意することもできる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００４７】
本発明の実施形態に従って、バルク材料１１０は製造設備や材料タイプに基づいて、複数の断面形状を有するように用意することができる。したがって、クランプ設備または機構を、バルク材料の表面領域および側部領域の大部分を機械的クランプ装置の干渉無しに処理することができ、残りのバルク材料が特定の劈開工程の終了後にクランプ装置から解放することができるように、変更または修正することができる。例えば、円形断面形状に対して、対向する側に位置する２つの円弧状のクランプアームが図２Ｂに示されている。他の実施形態では、より長い長さの単一の円弧状アームを取り外し可能なクランプのために使うことができる。さらに別の実施形態では、より短い長さで他の位置にある３つまたはそれ以上の円弧状アームを取り外し可能なクランプのために使うことができる。図２Ｃは側部領域の３つのノッチ１０３に適合する３つの矩形状クランプアーム１３２によって取り外し可能にクランプされる六角断面形状のバルク材料１１０Ｂの概略上面図を示す。図２Ｄは底部領域からロック機構１０４を介して機械的クランプ装置１３３によってステージ１２０Ｂに保持されるバルク材料１１０Ｃの概略側面図を示す。クランプアーム１３３はキーのような構造として使うことができる。クランプアーム１３３はバルク材料１１０Ｃの底部領域に形成されたロック構造に挿入され、その後バルク材料１１０Ｃを確実に保持または固定するための位置に所定の角度回転することができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００４８】
さらに本発明の実施形態に従って、図２Ｅおよび２Ｆに示したように、何の前処理された溝やノッチを持たない自然形態のシリコンインゴットなどのバルク材料１１０Ｄを、２つ以上のＣ形状機械的クランプ装置１３４によってクランプし、ステージ１２０Ｃの上部に固定することができる。クランプ位置は側部領域の下半分近傍（例えば、底部領域から計った長さの少なくとも３０％未満）に位置する。ある実施形態では、このクランプ位置は、バルク材料１１０Ｄの表面領域の１００％が露出され、クランプ装置からの物理的な干渉無しの処理を可能にする。特に、光起電装置のためのシリコンインゴットからの厚膜劈開のための表面領域の１００％利用は本発明によってもたらされる利点の一つである。さらに、他の実施形態では、クランプ機構は、劈開工程がバルク材料の体積の大部分（例えば、少なくとも７０％）から厚膜を一枚ずつ分離するよう連続的に実行され得ることが可能になることを目的とする。さらに別の実施形態では、クランプ機構はステージ１２０Ｃにバルク材料１１０Ｄを保持するために摩擦力を用いる。機械的クランプ装置の熱膨張係数はバルク材料のそれよりも大きいので、バルク材料が高温で加工されるまたはクランプを通ってバルク材料に特定の熱フラックスが流入すると、熱膨張によりクランプがよりきつくなる。また別の実施形態では、クランプアームはクランプされるバルク材料の形状に合うように表面上に鋭い突出を持たないよう構成されるため、バルク材料との係合に強いクランプ力が加わることによる側部領域のクラッキングが生じない。
【００４９】
本発明の実施形態に従って、バルク材料は注入工程が開始される平坦化された表面領域およびステージに係合することができる滑らかな底部領域を有するように前処理されてもよい。図３に示したように、バルク材料はさらに滑らかな底部領域１１８に配置された閉ループの溝１１４を有するように処理されてもよい。例として、バルク材料が正方形断面形状を有することを想定する。一つの実施形態では、溝１１４はまた実質的に正方形状で底部領域１１８の端部の近傍にそって位置する。他の実施形態では、溝１１４は、バルク材料１１０Ｅの底部領域１１８がステージの平面に（機械的クランプ装置の補助で）係合するときに、適応気密シールを受けることができる。気密シールとバルク材料１１０Ｅの底部領域とステージの間の２つの係合する平面は、ガスの層で充填されるキャビティを形成する。ガスの層は、圧力に依存するが、バルクの底部領域とステージ間の熱伝導を大幅に増加させることができる。さらに他の実施形態では、特定のガス供給装置がステージ内に組み込まれると、このガスを利用した伝導は、底部領域に係合することによってバルク材料を支持するために使われたステージを事実上温度制御ステージに変更する。
【００５０】
図４は本発明の実施形態による温度制御ステージにクランプされたバルク材料の概略断面を示す。この図は、単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、代替形態、修正形態を認識するであろう。図４に示したように、バルク材料１１０は、底部領域１１８とステージ１２０の表面１２１間に挿入された気密シール１２２とともにステージ１２０の表面１２１に保持されたその底部領域１１８でクランプされる。底部領域１１８の第１の溝１１４に適合する気密シール１２２は、その底部領域１１８とステージ１２０の表面１２１でそれぞれその上部と底部を境界としてキャビティ１２４を形成する。ステージ１２０はさらに、気密シール１２２によって囲まれたキャビティ１２４内の表面１２１に複数のガス通路１２６を備える。複数のガス通路１２６は、所定の圧力のガス１２７でキャビティ１２４を充填できるようガス注入口１２８とガス排出口１２９を有するガス供給装置（図示せず）を介して、ステージ１２０の本体内に接続される。
【００５１】
ある実施形態では、気密シール１２２は、６インチシリコンウエハに対して２０Ｔｏｒｒまでの、または厚いシリコンインゴットに対してまたは約３ｋｇの重さのタイルに対して３００Ｔｏｒｒまでのキャビティ１２４内の高圧を確実に保持することができる。キャビティの外側では、バルク材料は約５×１０-7Ｔｏｒｒの圧力下の真空系に設置することができる。ある例では、気密シール１２２はＯリングにすることができる。他の例では、気密シール１２２は誘電体材料または金属材料から作られたフランジにすることができる。このガス１２７は極低温ガス、室温ガス、または加熱ガスにすることができる。ある例では、ガス１２７はヘリウム、水素、アルゴン、または窒素の少なくとも一つのガスである。
【００５２】
ある実施形態では、バルク材料の側部領域の第２溝１１６に適合する機械的クランプ装置１３０は、ステージ１２０の表面１２１上のバルク材料１１０をクランプするために用いられる。他の実施形態では、クランプ装置１３０は、所定の重量に加えて真空環境の表面領域とキャビティ内の背圧下の底部領域の間の圧力差による上向きの力を伴うバルク材料を確実に保持するための設計強度を有する金属ボディを備えてもよい。例えば、バルク材料に真空環境内での注入が行われている間に使われる２００Ｔｏｒｒの冷却ガスのキャビティ１２４内の背圧は、約１３５ｌｂｓの力を生み出す。したがって、クランプ装置１３０はこのような上向きの力に対してバルク材料を保持しなければならない。
【００５３】
具体的実施形態では、ステージ１２０は金属平板電極とともに埋め込まれた誘電体を含んだ静電チャックである。金属平板電極とバルク材料１１０の間に電圧を加えることにより、ステージ１２０上のバルク材料１１０を吸着するように静電気力を発生させることができる。ある実施形態では、約２５Ｔｏｒｒまでのより小さい背圧がキャビティ１２４内で測定されると、このような静電チャックが使われている場合には機械的クランプ装置１３０は取り除かれて置き換えられ得る。代替として、クランプ装置１３０と静電チャックを備えたステージの両方を使うことができる。加えて、機械的クランプ装置１３０とステージ１２０はトレイベース１９０上に取り付けられる。このトレイベースはそれ自身で、平面１２１と平行なＸ−Ｙ平面を２次元的に動くことができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００５４】
他の実施形態では、クランプ装置１３０はまた本発明の実施形態に従って、バルク材料１１０にＩＲ加熱を加えるための電気接触手段として使うこともできる。電気的ソース１３８は、電流Iがバルク材料を流れることによるジュール加熱を生み出す。加熱レベルはＩ2Ｒに等しく、Ｒは抵抗率、材料密度および接点形状に基づく材料の抵抗である。
【００５５】
ステージ１２０に組み込まれたガス供給装置（図示せず）を通じた、ガス１２７の圧力の調整により、装置１００の温度制御を行うことができる。ガス分子は底部領域１１８とステージの平面１２１の間で跳ね返り、表面間でエネルギーを交換する。特定のバルク材料、ステージの誘電体材料、ガスの種類に対して、ガス表面の適応係数はほぼ固定される。固定された高さのキャビティ１２４に対して、ガス圧力が高くなるほど熱伝導が高くなるまたは表面１１８と１２１間のエネルギーの移動がより良くなる。１０ミクロン未満のキャビティ高さに対して、ガスの平均自由行程は一般的に、例えば２００Ｔｏｒｒの高いガス圧力でもキャビティ高さより依然として大きい。したがって、平均してガス分子は表面１１８と１２１間を衝突することなく移動することができるので、それが生じたところの表面にエネルギーが戻されることはなく、表面１１８と１２１間の最も効率的な熱伝達を行う。ガス圧力が制御された値に減少すると、熱伝達は制御されて下げられてさらに表面領域１１２の温度を制御下で変えることができる。
【００５６】
供給されるガスの温度調整により、さらに温度制御をすることができる。一つの例では、ガス１２７を加速冷却のために極低温に予め冷却することができ、表面領域からバルク材料の底部領域への下降熱伝達１４８を提供する。あるいは、ガス１２７を、冷却を鈍化させるかまたはさらにステージから表面領域に向かう上昇熱フラックス１４８を形成するために予め加熱することができる。基本的に、ガス層界面領域を備えるステージ１２０は、バルク材料のためのＣＷ出力フラックス制御を伴う定常温度制御装置として使うことができる。温度制御は注入工程中および／または他の類似の工程中に提供することができる。
【００５７】
他の実施形態では、ガスを補助に使う伝導はバルク材料の底部領域およびステージ表面の物理的特性によって決まる表面の適応係数により制限される。ガス分子がキャビティ内で完全にランダムな速度を有し、分子がキャビティの境界間でエネルギーの移動なしに弾性的に跳ね返る場合、表面の適応係数は１である。一つの例では、シリコン表面と誘電体材料で作られたステージ表面に対するこの係数の標準値は約０．３である。
【００５８】
所望の熱伝達は、取り扱われるバルク材料の熱容量または熱質量に依存する。比較的重いバルク材料とステージとバルク材料の底部領域間の薄いキャビティ高さでは、高圧のＨｅやＨ2などの軽いガスが高熱伝導を達成するための最良の選択である。さらに、ガス圧の調整は２つの固体表面間の熱伝達を制御するための大変効率的な方法になり得る。例えば、約５ｃｍ厚のシリコンインゴットに対して、４×１０4Ｗｍ-2Ｋ-1までの熱伝導率は、数ミクロンの高さの薄いキャビティと３００Ｔｏｒｒまでのガス圧力を用いて実現することができる。比較的高い背圧によって達成されたこの高熱伝導率は、バルク材料が起こりうる上方への曲げに対する十分な機械的剛性を持つ場合でのみ保つことができる。幾つかの実施形態に記述された５ｃｍ厚のインゴット材料（および、膜の分離が繰り返された後に１．５ｃｍの最終厚さに薄くした後でさえ）、この要件は満たされる。
【００５９】
上述の例では、バルク材料の底部はまた、恒久的または一時的に固定されているアダプタ板を介して温度制御面に連結することができる。以下により詳細を記述するが、アダプタ板は、バルクから熱伝達プレートへの機械的および熱的な結合を可能にする。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００６０】
図１に戻って参照すると、装置１００の他の構成が注入装置１４０である。注入装置１４０は、例えば２ＭｅＶ以上の高エネルギーのイオン粒子を生成する能力のある独立して作動する線形加速器とすることができる。この線形加速器は、複数の高周波四重極（ＲＦＱ）要素および／または複数のドリフト管線形加速器（ＤＴＬ）ユニットおよび／またはこれらの組み合わせであって良いが、これに限定されるものではない。これらの要素は、マイクロ波ＥＣＲイオン源からイオンビームを取り出し、その後最終的な所望のエネルギーレベルまでイオンを閉じ込めて加速する。イオン種は水素、重水素、またはヘリウム種を含む。粒子ビーム電流は２０ｍＡまでにすることができ、ビームサイズは注入装置１４０の出射孔に取付られたビーム拡大器（図示せず）によってほぼ５０ｃｍまで拡大することができる。
【００６１】
もちろん、当業者は注入装置の構成の多くの代替形態、変形形態、修正形態を認識するであろう。例えば、このような注入装置は、カリフォルニア州プレザントンのＡｃｃｓｙｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．などの会社から入手できる高周波四重極加速器（ＲＦＱ−Ｌｉｎａｃ）またはドリフト管リニアック（ＤＴＬ）、またはＮＭ８７１０９、アルバカーキーのＬｉｎａｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＬＬＣ（社）のＲＦ収束櫛型（ＲＦ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）（ＲＦＩ）技術などを使うことにより最近利用できるようになっている。
【００６２】
再度図１を参照すると、装置１００は、バルク材料１１０の表面領域１１２にＭｅＶレベルのイオン粒子のビームを注入するために注入装置１４０を用いている。バルク材料へのイオン粒子の注入は、本発明の実施形態に従って、自立膜を形成するための劈開工程を可能とする。エネルギーは部分的に注入種および条件に依存する。所定のエネルギーレベルの粒子ビームにより効果的に、粒子は表面領域１１２の下の所定の領域端（ＥＯＲ）深さまで深く届くことができ、応力を加えるまたはほぼＥＯＲ深さでの平面に沿った破壊エネルギーを減少させることができる。これらの粒子は、劈開領域１１５または劈開面を形成するためにＥＯＲ深さ周囲のバルク材料の破壊エネルギーレベルを低減する。これは、バルク材料１１０から重ねられた膜１１３を分離するために、形成された劈開領域に沿った制御された劈開を可能にする。
【００６３】
本発明の実施形態に従って、イオン注入は、全ての内部位置でバルク材料のエネルギー状態がバルク材料中で不可逆破壊（すなわち、分離や劈開）を起こすために不十分であるような条件下で起こり得る。しかし、注入ドーズは一般的に、その後の熱処理、例えば熱アニーリングまたは短時間熱アニーリング、によって通常は少なくとも部分的に修復することができるバルク材料中の所定量の欠陥（例えば微小欠陥）をもたらす。
【００６４】
イオン注入に関連した結果は、衝突イオン粒子の出力フラックス１４５による表面領域および下方周囲のバルク材料の温度上昇である。装置１００の注入装置１４０からの出力ビームは直径数ミリメートル程度にすることができる。注入アプリケーションは、ターゲット表面に衝突する出力フラックスが大きくなり過ぎないようにする、およびできる限りターゲット表面を加熱または傷つけないようにするために、ビーム直径を数百ミリメートル程度に拡大することを必要としてもよい。特定の粒子ビーム特性（所定のビーム電流およびビームサイズを備える）に対して、粒子出力フラックス１４５による温度上昇はまた、注入装置１４０に対して適切なデューティファクタ（例えば、０％がオフ、５０％は半分の出力、１００％が全出力）を設定することにより制限することができる。他の実施形態では、移動トレイ１７０は、フラックス１４５によるイオンビーム加熱が時間平均化されるように、表面領域１１２を横切る所定の速度でのビームの走査を可能とする。また、単独あるいはトレイの動きと組み合わせたビーム走査は、ターゲット表面を横切ってビームを動かすことを可能とし、ビームフラックスの時間平均化を行うことも可能となる。
【００６５】
イオン注入と関連した温度上昇の両方は、注入およびその場注入アニーリング工程中の温度制御のために利用することができる速度が制限された熱処理にすることができる。例えば、前に記述された装置１００は、バルク材料から自立膜を分離するために適した所望の劈開面を得るために、吸収量および基板温度上昇に関してイオン注入の成果を制御することができる。
【００６６】
再度図１を参照すると、装置１００は、バルク材料についての現在の状態に関連したデータを収集するためのセンサ装置１５０を利用する。特に、センサ装置１５０は、少なくとも表面領域１１２および底部領域１１８の両方の温度値および表面領域１１２の表面粗さを含む、バルク材料１１０の表面特性を測定または監視するための複数のセンサを利用する。測定および監視は注入工程中連続的で動的である。センサ装置１５０は、特定の時点に対する入力データのセットを動的に生成することができる。
【００６７】
センサ装置１５０は少なくとも５つの異なるタイプのセンサを備える。第１のタイプは温度センサであり、表面領域１１２および底部領域１１８近傍に配置され、バルク材料１１０の表面領域および底部領域の温度を測定することができる。温度センサはプログラムされた温度制御ルーチンを実行するために制御装置１６０のための直接入力データとして使うことができる。追加の温度センサを、供給ガス１２７の温度を測定するためにガス供給口１２８に設置してもよい。それ以上の温度センサが、クランプ装置１３０を通じた熱および電気伝導の入力を提供するための第２溝１１６での温度を測定するために必要な場合がある。ある例では、温度センサは熱電対のような接触タイプを含む。他の例では、光高温計のような非接触タイプの温度センサを使うこともできる。
【００６８】
第２のタイプのセンサは圧力センサであり、供給ガス１２７の圧力を測定するためにキャビティ１２４内の底部領域１１８近傍に設置される。圧力センサは、ガスを補助に使う伝導を用いて底部領域１１８の温度変化を導くための供給ガスの圧力を検知できる。このような圧力センサ、例えば広い圧力範囲で動作可能である圧力ゲージまたは複数のゲージは、所望の圧力測定レンジを実現するために使うことができる。
【００６９】
第３のタイプのセンサは、劈開工程により各厚膜が分離された後のバルク材料１１０の重さを監視することができる。バルク材料の重さは固有の熱容量および熱抵抗に対応し、それは同様に温度制御ステージ１２０を使った温度制御を最適化するために有用である熱時定数を決定する。重量センサの代わりまたはそれと併せて、位置センサまたはタイルカウンタ（ｔｉｌｅ−ｃｏｕｎｔｅｒ）を使うことができ、それは各連続劈開工程後に、現在の表面領域１１２から底部領域１１８まで測定した、バルク材料の表面の高さの変化または現在の長さ１１１を監視する。
【００７０】
第４のタイプのセンサは、各劈開工程後の表面状態の情報を提供する表面粗さまたは欠陥検査センサである。この入力データに基づいて装置１００は、インゴットまたはタイル表面が再ラッピング、ポリッシング、または修復される必要があるかを決めることができる。実施形態では、このタイプのセンサは特定の劈開破壊により生じた平坦度の差または粒子スパイク（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｐｉｋｅｓ）を測定することができる。この情報は、装置１００にフル生産を続ける能力を自己診断することを可能にし、結果として生じる自立厚膜の全体的な品質を確保する。
【００７１】
第５のタイプのセンサは、どのように劈開面に沿った微小亀裂伝搬の開始を引き起こすかを監視することができるように、処理領域の劈開前（ｐｒｅｃｌｅａｖｅ）の情報を捕らえるための音響または光学センサを含んでもよい。さらに、局所的な応力の解放による材料内の過渡的な弾性波であるセンサによって検知されたアコースティックエミッションは、劈開工程中にレーザパルスエネルギーが増加または減少するように調整するために使うことができる。このような音響センサは、一般的に１００ｋＨｚと１ＭＨｚの間の領域の超音波領域で動作するが、１ｋＨｚまで下げるまたは１００ＭＨｚまでであってもよい。典型的な音響センサは、電気的、電子的、電気機械的、または電磁的メカニズムに基づいたトランスデューサを含む。また、光学センサの使用は、具体的実施形態による劈開プロセス開始および伝搬を制御するために、劈開前または劈開中の劈開面の光学的な変化を検知する。実施形態によるが、検知は、任意のこれらの技術などの組み合わせを用いて行うことができる。
【００７２】
図１を再び参照すると、装置１００はさらにセンサ装置１５０によって生成された入力データを受信および処理するために構成された制御装置１６０を備える。制御装置１６０はまた、複数の自立厚膜を製造するために有利な連続注入工程の間にバルク材料１１０の温度を動的に制御するために、注入装置１４０および温度制御ステージ１２０に接続されるとともに指令を行う。ある実施形態では、制御装置１６０は最良の動作ルーチンを決定するための動的なフィードバック／フィードフォワード制御方式を実行するよう構成される。この制御方式では、表面温度、底部温度、バルク材料の重さ（または長さ）、表面粗さなどを含むバルク材料の現在の状態に関連する入力データが処理される。任意の特定の時点における注入、その場アニーリング、および／または、その後の劈開のための所定の処方手順に基づいて、制御装置は出力としての最適化された制御ルーチンを計算し、ここでは動作指令は注入装置１４０のデューティファクタを調整するおよび／またはキャビティ１２４内に供給されるガス１２７の背圧および温度を調整することによりステージ１２０を用いて底部温度を変化させるために与えられる。
【００７３】
また、ある例では、制御装置１６０は処理中のバルク材料の処理領域に向かって追加のＣＷ出力フラックス１４６を提供するために、表面領域の上の一つまたは複数の外部投光照明熱源１４１に接続されていてもよい。他の例では、表面領域の上に配置された一つまたは複数のパルス熱源１４２がさらに、アニーリングまたは急速な上昇率で表面温度を上昇させるための出力フラックス１４７を供給するために適用される。ある実施形態では、パルス熱源１４２は、処理領域の熱時定数、１００μｍ厚の自立膜製造工程に対しておおよそ５０マイクロ秒内で局所的にエネルギーパルス１４９の導入を通じて効率的な劈開領域１１５を生成するのに役立てることができる。パルス熱源の一つの例は、数ナノ秒から数十ナノ秒以上の特性パルス幅を持ちｃｍ2あたりのエネルギー０．１−５０ジュールを届けるＹＡＧレーザパルス装置である。基本的な１．０６μｍＹＡＧラインは、このアプリケーションに必要な１００μｍ内にレーザの熱エネルギーの大部分を供給する。劈開領域は局所的なＥＯＲ損傷がシリコンのＩＲ吸収係数を増加させるため、そこに到達する残留赤外線（ＩＲ）放射を効率的に吸収することが見込まれる。低い熱伝導率のＥＯＲ領域を横切る瞬間的な温度差は、さらに劈開エネルギーを減少させることができるかあるいはさらに劈開工程を起こすことができる剪断応力を発生させる。
【００７４】
他の例として、レーザ光が劈開領域のＥＯＲ損傷内に大部分が吸収されると（そこでは、光はバルク材料の側部領域周辺から全ての角度で劈開領域に作用することができる）、レーザパルスエネルギーは照射後周囲の材料への熱緩和まで高レベルの応力を発生させる。劈開領域の緩和時定数は、注入エネルギー（劈開領域の厚さを決める）および劈開領域の有効熱伝導率に応じて約２５ナノ秒から２０マイクロ秒以上である。本発明の特定の実施形態に従って、表面領域の加熱はＥＯＲ劈開領域、劈開される上を覆う膜、またはその両方の加熱を含む。
【００７５】
他の例では、ステージ１２０の底部に水冷却システム（図示せず）を取り付け、伝導を促進するために機械的クランプ１３０に独立したヒートシンクを取り付けることによって追加の冷却を与えることができる。バルク材料から自立厚膜を分離するための劈開工程中の温度制御方法のさらなる記述は以下に述べる。
【００７６】
図５は本発明の実施形態によるバルク材料から自立膜を連続的に分離するための劈開工程中の温度制御方法を示した概略フローチャートを示す。この図は単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者は多くの変形形態、代替形態、修正形態を認識するであろう。この方法２００は次の工程を含む。
１．バルク材料を用意する工程２１０。
２．バルク材料の現在の状態に関するセンサデータを収集する工程２２０。
３．制御ルーチンおよび温度設定値を決定するためのセンサデータを処理する工程２３０。
４．設定値に到達するための制御ルーチンを実行する工程２４０。
５．設定値で注入およびその場アニーリング工程を実行する工程２５０。
６．劈開工程（装置１００での場合）を実行する工程２６０。
７．残っているバルク材料の長さをチェックし、３０％未満なら工程を終了し、そうでなければ次の工程に進む工程２７０。
８．バルク材料の表面粗さをチェックし、基準を満たせば工程２２０に戻って次に進み、そうでなければ工程２１０に戻って次に進む工程２８０。
【００７７】
上記の一連の工程は本発明の実施形態による方法を提供する。工程が追加されたり、一つまたは複数の工程が取り除かれたり、または一つまたは複数の工程が特許請求の範囲から離れることなく他の手順で提供される、他の代替形態もまた可能である。本発明のさらなる詳細は本明細書を通じて、特に以下に見ることができる。
【００７８】
図５を参照すると、方法２００は第１に自立膜を製造するために劈開用バルク材料を用意する工程段階２１０を備える。特定の実施形態によれば、バルク材料はインゴットの形に成長して与えられる、単結晶シリコンなどの半導体材料を含み得る。他の実施形態では、バルク材料はポリ結晶シリコンの大きいタイルであってもよい。具体的実施形態では、インゴット材料および／またはポリ結晶タイルは、ある長さに予め加工された本体および実質的に円形または多角形の断面形状を有し得る。バルク材料の長さは温度制御された劈開を促進するために予め定めることができる。一定の密度をもったバルク材料に対して、長さはその重量に相当する。例えば、結晶シリコンインゴットに対して、好ましい長さは約５ｃｍで重量は約３ｋｇである。
【００７９】
他の実施形態では、劈開のためのバルク材料の用意には、良質デバイス用膜を製造するための表面領域およびステージ上に保持するための底部領域の両方を滑らかにするためのさまざまな平坦化処理を用いることを含む。さらに他の実施形態では、バルク材料の用意には、表面粗さをより小さいレベルにするために、例えば、装置１００の注入装置１４０によって発生した高エネルギー粒子など、改良された高ドーズエネルギーイオン粒子注入工程を使うことを含む。ある実施形態では、バルク材料の用意はまた、表面粗さを減少させるために表面の軽いエッチングおよび／または薄い滑らかな層を堆積させることも含む。他の実施形態では、バルク材料の用意にはさらに、劈開工程前の表面領域に光結合層、透明導電酸化物、および光閉じ込め層などのコーティング／膜を堆積させるためにデバイス製造工程を組み入れることを含む。その後の劈開のために、表面状態は、次の工程段階のために異なるオプションにつながる処理が表面に必要かを決めるために、バルク材料から膜が取り除かれるたびに再チェックされる。
【００８０】
バルク材料を用意するための方法２００の第１の工程段階２１０はさらに、バルク材料の底部領域に第１の溝を作ることを含む。具体的実施形態では、第１の溝は多角形の底部の端部領域に配置された閉ループの溝である。第１の溝は、バルク材料の滑らかにされた底部領域がステージの平面に係合する時に、ガス層界面を形成するための気密シールに適合するように設計される。さらにある実施形態では、工程２１０はさらに、バルク材料の周辺側部領域の所定の位置に第２溝を形成することを含む。第２溝の位置は、概して、次の工程で、注入および表面領域からバルク材料の７０％まで連続的に実行される劈開工程を妨害することなく、溝に適合される機械的クランプ装置が側部領域からバルク材料を適切にクランプすることができるように、底部からのバルク材料の長さの３０％未満に設定することができる。一つの例では、第２溝は周辺側を囲む単一の溝であってもよい。他の例では、バルク材料の周りのさまざまな位置に配置された一群の溝であってもよい。他の実施形態では、工程２１０は、次の工程で底部からステージ上にバルク装置を確実にロックするためのキー構造を有する機械的クランプ装置のために、底部領域にロック構造を作ることを含んでもよい。
【００８１】
バルク材料を用意するための方法２００の第１の工程段階２１０はさらに、クランプ溝としての第２溝を用いて機械的クランプ装置によりバルク材料をクランプすることを含む。代替実施形態では、バルク材料１１０を、ロック機構を介して底部領域から機械的クランプ装置により確実に保持することができる。図４に示される、具体的実施形態では、バルク材料１１０は機械的クランプ装置１３０によりクランプされ、気密シール１２２によってのみ分離されて底部領域１１８がステージの平面１２１に結合してステージ１２０上に保持される。気密シール１２２は、底部領域１１８とステージ表面１２１を連結すると同時に、バルク材料の底部領域１１８とステージの平面１２１がそれぞれ上部と底部の境界になる薄いキャビティ１２４をそれらの間に形成するために第１溝１１４に一致するように構成される。気密シール１２２は、機械的クランプ装置に補助されて、キャビティ１２４の内外に形成される高圧力差を保持するのに十分確実である。具体的実施形態では、ステージ１２０の平面１２１は、キャビティ１２４内に満たされたガス１２７が調整可能な圧力にすることを可能とする複数のガス通路１２６を備える。ガスは通常、注入口１２８と排出口１２９を有するステージ１２０内に組み込まれたアセンブリにより供給される水素またはヘリウムガスである。ガス１２７は極低温または室温であり得る。また、ガスを加熱することもできる。
【００８２】
図５を参照すると、いったんバルク材料が用意され、ステージ上に保持されると、方法の工程段階２２０が実行される。この段階では、バルク材料の現在の状態に関連するデータが、センサ装置によって操作される一つまたは複数のセンサによって収集される。例えば、センサ装置は図１にセンサ装置１５０として示される。
【００８３】
ある実施形態では、センサ装置により操作される一つまたは複数のセンサは、表面領域の温度Ｔs、および底部領域の温度Ｔbを測定するための温度センサを含む。他の実施形態では、一つまたは複数のセンサはまた、同様にバルク材料の現在の長さまたは重さの情報を提供するバルク材料の表面領域の位置を検知することにより、劈開工程中のバルク材料の履歴を追跡記録する位置センサも含む。さらに他の実施形態では、一つまたは複数のセンサは、バルク材料の底部領域とステージ表面の間のキャビティ内の圧力を示す圧力センサを含む。センサ情報の収集または所定の測定を実行することは、工程２１０で一度バルク材料が用意されると最後の劈開工程が終わるまで（工程フローを停止する特定の劈開工程基準が満たされない場合を除く）任意の時点で行われる。収集されたセンサデータはリンクされた制御装置に送られて処理される。例えば、制御装置１６０は図１に示された装置１００内に含まれる。
【００８４】
この方法２００の工程段階２３０は、工程の処方手順に基づいた所望の工程（注入および／または劈開）温度にバルク材料の表面温度を変化させるための温度フィードバック／フィードフォワード制御方式の入力として、これらのセンサデータを処理するために制御装置を使う。任意の時点で、処方手順は表面領域、より詳しくは処理領域でのバルク材料の所望工程温度Ｔpのための設定値を決定する。その後、ある時点でのセンサデータからの入力データが、表面領域の現在の温度Ｔsを目標設定値Ｔpに変化させるおよび／または要求通りにその温度に維持するための最良のルーチンを決定するためにフィードバック／フィードフォワード制御方式で制御装置によって受信され処理される。制御ルーチンは、最も効率的な方法で工程温度に到達するような最速のまたは少なくとも所定の加熱／冷却速度を達成するように制御ループを安定に保つようプログラムされる。
【００８５】
方法２００の工程段階２４０は、次に与えられた時点から設定値に到達するよう選択された制御ルーチンを実行するために実行される。ある実施形態では、温度を変化させるための制御ルーチンは、複数の放射、対流、熱伝導経路を利用した加熱および冷却操作の両方を含む。例えば、現在の温度Ｔsが設定値Ｔpより低い場合には加熱が必要である。具体的実施形態では、図６の概略図に示されたように、一つまたは複数の投光照明などの外部放射源３０２を、ＣＷ出力フラックス３２６の上方からのバルク材料３００の表面領域３０１を加熱するために使うことができる。制御装置は、所望の上昇率と均一性で表面を加熱するためのランプ電流、オン／オフ周波数、および空間的寄与を制御するフィードバックループを通じてこれらの外部放射源につながれていてもよい。外部放射源はまた、アニーリングおよびパルス出力フラックス３２７を通じた劈開領域エンハンスメントのためのレーザパルス源などのパルス熱源３０３を含んでもよい。
【００８６】
他の実施形態では、劈開工程の一部は、注入装置により生成された高エネルギー粒子を利用したイオン注入工程を含む。表面領域３０１に照射される高エネルギー粒子の出力フラックス３０５は表面領域を加熱する傾向にある。制御装置は、注入中の加熱を制御するために、動作のデューティファクタ、オン／オフ周波数のほかに、粒子ビームのビームサイズおよび走査速度を制御するように注入装置、例えば装置１００の注入装置１４０につながれてもよい。
【００８７】
他の実施形態では、熱流３０６は熱伝導によって底部領域３０９から表面領域３０１にも発生させることができる。支持ステージ３１０を、底部温度を変化させることによって熱伝達を促進または制御するために用いてもよい。他の例では、熱は所定の上昇した表面温度でのイオン注入アニーリング後工程のために、この経路を通じて供給されてもよい。
【００８８】
さらに他の実施形態では、熱流３０６はジュール加熱、誘導加熱などから発生させることもできる。一つの例は電流をバルク材料に流すことによるバルク材料のＩ2Ｒ加熱である。一つの例では、熱は所定の上昇した表面温度でのイオン注入アニーリング後工程のために、この経路を通じて供給されてもよい。
【００８９】
本発明の他の具体的実施形態では、注入中または劈開工程中の表面領域の加熱を補償できるように底部の温度を下げることによって主に冷却するために使うことができる。つまり、図６の概略図に示された同じ経路を通じて、熱流３０７は表面領域３０１から底部領域３０９に流れる。底部温度Ｔbを効率的に下げるため、極低温ガスを気密シール３１３によって密封された底部領域と冷却されたステージ表面３１１の間のキャビティ３１５内に供給してもよい。薄いキャビティ（例えば数ミクロン）内の３００Ｔｏｒｒまでの圧力により、２つの表面と衝突する高速で動くガス分子は底部領域３０９から冷たいステージ表面３１１に熱エネルギーを効率的に移動することができる。ガス圧力を調整することにより、ガス分子の平均自由行程を熱の移動を最適化するためにキャビティ高さに応じて変化させることができる。
【００９０】
大抵の場合、バルク材料の大きい熱質量のため、ＥＯＲ領域は注入および特定の劈開面形成アニールに連続的により低い熱伝導を生成し、それゆえこの層はより表面加熱の影響を受けやすいので、ステージを通じた伝導による冷却制御時定数は放射源または表面領域への粒子照射による加熱より遅い。劈開工程が連続的に続くにつれて、バルク材料の長さは減少し、その冷却時定数も減少する。変化する長さを追跡記録する位置センサデータを利用することにより、制御装置は時定数を更新することができ、必要であれば他の制御パスを調整する。したがって、次回の劈開工程のための更新された最適制御ルーチンが生成される。
【００９１】
ある実施形態では、バルク材料が薄くなるにつれて、キャビティ内のガス圧力は熱伝導を減少させて冷却を減速させるために低くされ得る。他の実施形態では、制御方式は制御ループを安定に保ち、最も効率的な方法で所望の工程温度が得られるように最速のまたは少なくとも所定の加熱／冷却速度を達成するように、全ての速度プロセスを対応するように設計される。例えば、注入の前に、対象のバルク材料は冷たいが処方手順が３００℃を必要としている場合、３００℃より高い設定が、設定値に到達するより前に温度を下げるステージとともに注入バルク材料が表面で３００℃により速く達することを可能にするために使われ、加熱／冷却サイクルをできるだけ早く保つために温度を増加させる。
【００９２】
図５に戻ると、いったん表面温度ＴSが設定工程温度ＴPに到達すると、方法２００の工程段階２５０が注入工程を開始するために実行される。本発明の具体的実施形態によれば、図７の略図に示されたように、工程２５０はバルク材料４００の表面領域４０１を第１の複数の高エネルギー粒子４０５にさらすことを含む。具体的実施形態によれば、高エネルギー粒子４０５は線形加速器を備えた注入装置を使うことで生成することができる。注入を行うサブ段階と注入アニーリング後の間の設定値温度処理のサブ工程を組み込んだその場アニーリングもまた行うことができる。図５の他の全ての段階のように、段階２２０および２３０は後続の段階２５０および２６０内で何度も適用することができる。図５はしたがって第１の設定値処理の単なる例であり、限定するものとしてみなされるものではない。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００９３】
具体的実施形態によれば、図８の概略図に示したように、高エネルギー粒子５０５の注入の結果は、劈開領域５０３内に複数のゲッタリングサイトまたは蓄積領域の形成を生じさせる。この劈開領域５０３は、自立膜として分離されるバルク材料５００の層５１０を規定するために、表面領域５０１の下にもたらされ得る。好ましくは、第１の複数の高エネルギー粒子は、バルク材料のある深さ内に空間的に配置されるピーク密度および底を有する注入粒子プロファイルを提供する。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００９４】
ある実施形態では、劈開領域は注入中に第１の温度、例えば約−１００℃から２５０℃の間の幅に保たれ、直接間接を問わずに提供することができる。ある実施形態では、温度は装置１００により制御することができる。他の実施形態では、温度は工程段階２２０、２３０および２４０を実行することにより制御することができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【００９５】
用途によるが、特定の実施形態によれば、より小さい質量粒子は一般的に材料の所望の深さへの注入のためのエネルギー必要量を減少させ、材料領域の損傷の可能性を減少させるために選択される。つまり、より小さい質量粒子は、粒子が通り抜けて移動する材料領域を実質的に損傷することなく、基板材料を通って選択された深さに容易に移動する。例えば、より小さい質量粒子（またはエネルギー粒子）は、ほとんどの（例えば、正または負に）帯電したおよび／または中性の原子または分子、または電子、などであり得る。具体的実施形態では、実施形態に応じて、粒子は水素およびその同位体のイオン種、ヘリウムおよびその同位体などの希ガスイオン、およびネオンなどのイオンを含む中性または帯電した粒子であり得る。粒子はまた、上述の粒子、および／またはイオン、および／または分子種、およびまたは原子種の任意の組み合わせとなり得る。粒子は、例えば、水素ガス、水蒸気、メタン、および水素化合物、および他の軽い原子質量粒子などのガスの化合物から生成することができる。この粒子は、通常、表面の下の選択された深さまで表面を貫くことができる十分な運動エネルギーを有する。
【００９６】
例えば、注入される種として水素を使うと、注入工程は特定の一連の条件を用いて実行される。注入される水素のドーズは約１×１０15から約１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の幅にすることができ、好ましくは注入される水素のドーズは８×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満である。水素注入のエネルギーは、発電用途のために有用な厚膜の形成に対して、約０．５ＭｅＶから約５ＭｅＶ以上に及ぶ。注入温度は、約−１００℃から約２５０℃まで及び、好ましくは注入されたシリコン劈開領域の外に水素イオンが拡散する可能性を避けるため約４００℃未満である。水素イオンは、約±０．０３から±３ミクロンの精度でシリコンウエハの選択された深さに選択的に導入することができる。もちろん、使われるイオンのタイプおよび処理条件は用途に依存する。
【００９７】
具体的実施形態では、約１５μｍから約２００μｍまでの幅の厚さのシリコン膜を、約１ＭｅＶから約５ＭｅＶの幅のエネルギーを有する陽子注入を用いて形成することができる。この厚さの幅は、自立シリコン層として使うことができる厚さの単結晶シリコンの分離を可能にする。本発明の実施形態による１５−２００μｍの幅の厚さを有する自立シリコン層は、従来のウエハ切断、エッチング、またはポリッシング処理に代えるために使うことができる。したがって、従来の分離手法では約５０％のカーフロス（カーフロスは切断およびウエハリング作業中の材料損失として定義される）が生じることが予期されるが、本発明の実施形態による手法は事実上カーフロスが無く、結果的に実質的なコスト削減および材料利用の効率の向上になる。
【００９８】
特定の実施形態では、５ＭｅＶより高い注入エネルギーを使うことができる。このような高エネルギーの注入は、半導体素子の製造の代替材料の基板としての自立層を製造するために有用である。しかし、太陽電池の製造では、２００μｍ以下の厚さの自立材料が一般的に望まれる。
【００９９】
図９を参照すると、本発明による方法２００の実施形態では、劈開領域６０３内に複数のゲッタリングサイトをさらに形成するために、バルク材料６００に熱処理工程を選択的に実行することができる。つまり、熱処理工程は、欠陥ネットワーク内に置かれた複数の第１の粒子を固定するために劈開領域６０３をアニーリングおよび／または急冷する。具体的実施形態では、この工程は、所望の熱処理温度の達成を補償するために表面領域６０１の上からＣＷおよび／またはパルス放射熱６０５および底部から熱伝導６０７を利用することができる。ジュール加熱または誘導加熱の流れ６０８も利用することができる。例えば、温度制御は装置１００を用いて実行される。
【０１００】
具体的実施形態では、方法２００の工程２６０はさらに、図９の概略図に示したように、バルク材料の表面領域を第２の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含む。第２の複数の高エネルギー粒子７０５は、例えば線形加速器を備えた装置１００内の注入装置１４０などの注入装置を使うことで生成することができる。図示したように、この方法は、バルク材料７００に供給される、第２の複数の高エネルギー粒子７０５を含む。第２の複数の高エネルギー粒子７０５は劈開領域７０３に導入され、第１の応力レベルから第２の応力レベルに劈開領域の応力レベルを上昇させる。特定の実施形態では、バルク材料は例えば約２０℃と５００℃の間の幅の、第１の温度より高い、第２の温度に保たれる。例えば、第２の温度は装置１００および工程２２０、２３０および２４０を実行することによって制御される。もちろん、使われるイオンのタイプおよび工程条件は用途に依存する。
【０１０１】
例として第２注入段階でバルク単結晶シリコン材料に注入される種として水素を使うと、注入工程は特定の一連の条件を用いて実行される。注入ドーズは約５×１０15から約５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2におよび、好ましくは、ドーズは約１−５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満である。注入エネルギーは、発電用途のために有用な厚膜の形成に対して、約１ＭｅＶから約５ＭｅＶ以上に及ぶ。注入ドーズ率は、５００マイクロアンペアから５０ミリアンペアまで供給することができ、全ドーズ率は拡大されたビーム領域中で注入率を積分することによって計算することができる。注入温度は、約２５０℃から約５５０℃まで及び、好ましくは約４００℃超である。水素イオンは、約±０．０３から±３ミクロンの精度でシリコンウエハの選択された深さに選択的に導入することができる。具体的実施形態では、温度およびドーズは劈開領域内で単原子水素の水素分子への効率的な変換を可能にするように選択されるが、一方で単原子水素の多少の拡散があり得る。もちろん、使われるイオンのタイプおよび工程条件は用途に依存する。
【０１０２】
本発明の具体的実施形態では、適切なビーム強度を有する、質量選別高エネルギー注入手法を使うことができる。コスト効率を良くするため、注入ビーム電流は数十ミリアンペアの程度のＨ+またはＨ-イオンビーム電流にすべきである。システムが十分高エネルギーを注入できる場合、高ドーズ率を達成するためにＨ2+イオンを有利に使うこともできる。このような注入装置は高周波四重極加速器（ＲＦＱ−Ｌｉｎａｃ）またはドリフト管リニアック（ＤＴＬ）、またはＲＦ収束櫛型（ＲＦ−Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）（ＲＦＩ）技術などを使うことにより最近利用できるようになった。これらは、カリフォルニア州プレザントンのＡｃｃｓｙｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．、ＮＭ８７１０９、アルバカーキーのＬｉｎａｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＬＬＣなどの会社から入手できる。
【０１０３】
任意選択で、本発明による方法２００の工程２５０はさらに、注入工程後の熱処理工程を含む。ある特定の実施形態では、シリコン材料に対して約４５０℃から約６００℃までの熱工程を利用する。好適な実施形態では、少なくとも部分的に方法２００の温度制御工程２２０、２３０、および２４０を実行することによって、熱処理を実行することができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１０４】
図５を参照すると、劈開工程はシステム１００内で生じさせることができ、いったん表面温度Ｔsが設定処理温度Ｔpに到達すると、方法２００の工程段階２６０が劈開工程を開始するために実行される。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１０５】
本発明による方法の具体的実施形態は、劈開工程を用いて自立層を分離する段階を含み、一方で自立層は図１１に示したように、上を覆う常設の支持部材などは存在しない。示したように、自立層８１０は残っているバルク材料８００から取り除かれる。具体的実施形態では、分離する段階は制御された劈開工程を用いて実行することができる。制御された劈開工程は劈開領域の一部に選択されたエネルギーを提供する。単なる例であるが、制御された劈開工程は、カリフォルニア州サンノゼのＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｅｎｅｓｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｌｅａｖｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓを発明の名称とする米国特許第６，０１３，５６３号に記載されており、全ての目的で参照としてここに援用する。示したように、本発明の実施形態による方法は、自立層を完全に分離するためにバルク材料から自立厚膜を取り除く。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１０６】
本発明の所定の実施形態では、劈開動作の開始を促進するための一つまたは複数のパターン領域を用いてもよい。このような方法は、劈開領域内に複数のゲッタリングサイトのパターン領域を形成するために、半導体基板の表面領域を線形加速器により生成された第１の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含んでもよい。本発明による方法の一つの実施形態では、劈開領域は分離される材料の層を規定する表面領域の下に設けられる。半導体基板は第１の温度に維持される。この方法はまた、半導体基板に処理工程、例えば熱処理にかけることを含む。この方法は半導体基板の表面領域を第２の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含み、これは劈開領域の応力レベルを第１の応力レベルから第２の応力レベルに増加させることをもたらす。この方法は、劈開工程を用いて分離可能な材料の層の部分を分離するためにパターン領域の選択された領域で劈開動作を開始させ、劈開工程を用いて分離可能な材料の層を取り除くことを含む。
【０１０７】
このようなパターン注入シーケンスは表面をドーズの変動にさらし、開始領域は通常、より高いドーズおよび／またはサーマルバジェットシーケンス（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を用いて発達する。劈開動作を完了させるための劈開動作の伝搬は、（ｉ）伝搬する劈開フロントを案内するための追加のドーズ領域、（ｉｉ）劈開される深さを案内するための応力制御、および／または（ｉｉｉ）自然の結晶劈開面、を使うことにより起こすことができる。いくつかのまたは大抵の領域は、使われた特定の劈開技術によってより少ないドーズで注入（または全く注入されない）することができる。このようなより少ないドーズ領域は、基板から各膜を分離するために必要な全ドーズを低減することによって注入システムの全体的な生産性を向上させるのに役立てることができる。
【０１０８】
具体的実施形態によれば、より高くドーズされた開始領域の生成は、領域のドーズを同時に増加させ、一方でその領域を加熱して局所的な膜の分離のための領域を用意する注入ビーム自体の使用により促進させることができる。分離は、注入ビーム工程中または注入後の別の熱工程段階を用いてその場で達成することができる。開始領域の状態を測定およびフィードバックするためのセンサの使用は、正確で制御された局所的な膜の分離を可能とし、劈開が生じた直後の層の加熱または損傷を避けるのに役立てることができる。
【０１０９】
本方法の具体的実施形態は他の工程で実行することができる。例えば、この方法は、後に処理される支持部材に接触する自立層を配置することができる。追加的にまたは選択的に、本発明の実施形態による方法は、表面領域を第１の高エネルギー粒子にさらす前に、バルク材料に一つまたは複数の工程を実行する。特定の実施形態によるが、この工程は、太陽電池、集積回路、光学素子、これらの任意の組み合わせなどの形成のためのものとなり得る。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。
【０１１０】
自立材料の厚さは、本発明の実施形態に応じて１５ミクロン以下から２００ミクロンまで異なり得る。例えば、この手法を利用したシリコンインゴットの厚さの約７０％の劈開は、それぞれが１００μｍの厚さを有する３５０の自立単結晶シリコン膜を生産することができる。１ｍ2は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を持つ約４５のタイル表面に相当するので、約７．８ｍ2のシリコンの表面積をこのような５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。この自立材料の層は、光起電素子、３ＤＭＥＭＳまたは集積回路、ＩＣパッケージング、半導体基板製造、半導体素子、これらの任意の組み合わせなどの用途のための高品質半導体材料を提供するためにさらに処理される。本方法の一つ実施形態は、特に極めて効率の良い太陽電池のための単結晶シリコンを提供する。特定の実施形態は、エネルギー粒子の低初期ドーズを使い、これは工程をコスト効率良く効果的にすることを可能する。
【０１１１】
図５を参照すると、バルク材料からそれぞれの自立膜が取り除かれた後、方法２００の工程２７０を、特に一つまたは複数の自立膜を製造モードで製造するために実行することができる。この工程は、残りのバルク材料が最初のバルク材料の３０％未満であるかを決定するための位置センサデータを読むことを含む。それはまた、残りのバルク材料の長さを検知して保存された最初の長さと比べることに言い換えられる。一度センサ測定値が残っているバルク材料の長さが３０％未満であることを示すと、制御装置は工程の終了を命令するための信号を送ることができ、そして残っているバルク材料を除去することが後に続く。劈開されていない残りの３０％のバルク材料は、劈開のための新しいバルク材料を製造するための高度に純化された出発材料として溶融物に戻すことができる。位置センサ測定値が残りのバルク材料の長さが３０％超であることを示す場合、方法２００は残りのバルク材料での次の工程段階に導く。他の具体的実施形態では、位置センサは部分的に、残りのバルク材料の熱容量に関連する新しい入力データを提供することもできる。新しい入力データは、次の工程段階のための更新された制御ルーチンを決定するために処理することができる。
【０１１２】
方法２００の次の工程段階２８０は残りのバルク材料に関連したより多くのセンサデータをチェックすることを含み、これはまた生産モードで一つまたは複数の自立膜を製造するためのこの方法の応用にも関連する。この工程段階では、残りのバルク材料の表面領域の表面粗さが検査される。工程２８０は、残りのバルク材料の表面粗さを計測するための一つまたは複数のその場のプローブを用いることを含む。計測された表面粗さパラメータ（または表面欠陥を含む他の特性）は、所定の基準と比較される。ある実施形態では、工程２８０において基準が満たされると、劈開された膜の品質が許容でき、残りのバルク材料が新しい劈開工程サイクルに適合可能であることも示している。方法２００の工程の流れは、工程段階２２０に戻され、そして工程２３０、２４０、２５０、および２６０が再び続く。
【０１１３】
他の実施形態では、工程２８０において基準が満たされないと、劈開後の表面に修復が必要であるかあるいはバルク材料に修復が必要であることを示す。したがって、工程の流れは、残りのバルク材料のための表面処理が適用される工程段階２１０に戻される。一つの例では、比較的高いコストになり得るが、表面に再ラッピングおよび／または再ポリッシング処理が実行され、つまり工程の流れは完全に工程２１０にリセットされる。他の例では、増加したドーズのイオンビームの使用、または表面のエッチングの実行、またはスピン蒸着（ｓｐｉｎ−ｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）による薄い滑らかな層の追加などのよりコストの少ない工程を基準が満たされるまで表面粗さを潰すために実行してもよい。
【０１１４】
図１２は、本発明の一つの実施形態に従ったバルク材料からの複数の自立膜の形成の概略図を示す。単結晶シリコンインゴット９００は、５ｃｍの原厚を示し、１５ｃｍ×１５ｃｍの側面寸法を有する。単結晶シリコンの密度は約２．３２ｇｍ／ｃｍ3なので、このバルク単結晶シリコン材料の重さは１５×１５×５×２．３２＝２．６１Ｋｇである。したがって、本発明の実施形態による手法を利用したこのようなインゴット９００の約７０％の厚さの劈開は、それぞれが１００μｍの厚さを有する、３５０の自立単結晶シリコン膜９１０を製造する。１ｍ2は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を持つ約４５のタイル表面に相当するので、約７．８ｍ2のトータルのシリコンの表面積を５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。単結晶シリコンから劈開されないインゴットの残りの３０％は、劈開のための新しいインゴットを製造するための高度に純化された出発材料として溶融物に戻すことができる。
【０１１５】
本発明の代替実施形態によれば、シード層がさらにヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層のために提供される。ヘテロ構造エピタキシャルプロセスは特に薄い多接合光電池を形成するために使うことができる。単なる例であるが、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ層をゲルマニウムシード層にヘテロエピタキシャルに蒸着することができ、これは本発明の実施形態の注入工程を用いて形成した自立層である。
【０１１６】
上記は具体的実施形態の全ての記述であるが、様々な修正、代替構造、および均等物が用いられ得る。例えば、上述の実施形態ではバルク材料は温度制御ステージに直接接触していたが、本発明では、これは必須ではない。代替実施形態によれば、バルク材料の底部分はバルク材料と温度制御ステージの間に介在するアダプタまたはインターフェースプレートに固定することができる。
【０１１７】
図１３Ａ−Ｅは、本発明の実施形態で用いられるバルク材料を温度制御ステージに固定するための様々な方法を示す。図１３Ａの実施形態は前述のものと類似しており、バルク材料の側部のノッチに係合するクランプを用いて、バルク材料の底部分は温度制御チャックのＯリングに直接接触して固定される。
【０１１８】
それに対して、図１３Ｂの実施形態は、タイルを保持する接着剤１３２６を利用してタイル（バルク材料）１３２２の下部表面１３２２ａを固定するアダプタ板１３２０を利用する。この特定の実施形態では、アダプタ板はタイルの底部の表面領域よりわずかに小さいが、これは必須ではない。代替実施形態では、アダプタ板をタイルの底部の表面と同じサイズであるか、より大きくすることができる。
【０１１９】
図１３Ｂの特定の実施形態はまた、ノッチ１３２８を有するアダプタ板を示す。これは必須ではなく、アダプタ板はこのようなノッチを有する必要はない。
【０１２０】
図１３Ｃは、温度制御チャックに固定される図１３Ｂのタイル−アダプタ板の構造を示す。具体的には、タイルと接触する面と反対のアダプタ面は、温度制御チャックの凹所内に位置するＯリングに接触してシールされる。温度制御チャックはアダプタの背面を冷却ガスにさらすように構成され、したがってその温度および接触しているタイルの温度を制御する。
【０１２１】
アダプタ板の環境に応じて、異なるアダプタクランプを使うことができる。例えば、大気中での応用は真空チャックの使用を可能にする。図１３Ｃの特定の実施形態では、アダプタは吸引のみを通じてチャックと接触するように保持され、アダプタのクランプ溝に係合するクランプは示されていない。しかし、他の実施形態では、クランプは、アダプタと温度制御ステージ間の確実な接触を確保するためにアダプタのクランプ溝に係合できる。さらに他の実施形態では、アダプタ板は、真空の適用または静電気力を用いて温度制御チャックに固定することができる。
【０１２２】
図１３Ｄは、本発明による、さらに他の構造の概略断面図を示し、タイル１３２４に面するアダプタ板１３３０の表面１３３０ａはＯリング１３３４を受け入れるように構成された凹所１３３２を備える。凹所１３３２は、端部領域１３３４の内側に位置し、内部領域１３３６を囲む。この実施形態では、凹所１３３２はＯリングを保持する働きをするだけでなく、タイルとアダプタ板が互いに接着される場合に、内部領域１３３６内にタイル保持接着剤の広がりを制限する働きをする。
【０１２３】
図１３Ｅは、温度制御チャックに固定された図１３Ｄのタイル−アダプタ板の構成を示す。具体的には、タイルに接触する面と反対のアダプタの面は温度制御チャックの凹所内に位置するＯリングに接触してシールされる。温度制御チャックはアダプタの背面を冷却ガスにさらすように構成され、したがってその温度およびアダプタ板に接触しているタイルの温度を制御する。
【０１２４】
図１３Ｅの特定の実施形態では、アダプタは、アダプタ板の側部に位置するクランプ溝に係合するように構成されたクランプを用いて、チャックと接触して保持される。しかし、本発明では、これは必須ではなく、代替実施形態では、アダプタ板を他の方法、例えば真空の適用または静電気力を用いて温度制御チャックに固定することができる。
【０１２５】
上記は段階の選択されたシーケンスを用いて記述されていたが、段階の任意の要素の組み合わせや他の要素を使うこともできる。さらに、特定の段階を、実施形態に応じて組み合わせるおよび／または取り除くことができる。さらに、水素粒子は、代替実施形態による改修されたドーズおよび／または劈開特性を有する劈開面の形成を可能にするために、ヘリウムおよび水素イオンの共注入（ｃｏ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を使うことに置き変えることができる。共注入の他の形態は、一つまたは複数のサブステップで水素の代わりに重水素に置き換えることを含む。シリコンへの１−１０ＭｅＶでの重水素の注入は、約３倍より大きい原子変位を生み、したがって図９の劈開領域６０３内の複数のゲッタリングサイトの形成をより効率的にすることができる。もちろん、他の変形形態、修正形態、代替形態があり得る。例えば、第２の蓄積注入は、水素または重水素によるゲッタ領域蓄積が拡散工程によって生じる水素化または重水素化段階に置き換えることができる。したがって、前述の説明及び図示は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲を限定するように解釈するべきではない。
【０１２６】
ここに記述された例および実施形態は説明目的のためだけのものであり、それに照らして様々な改良や変形が当業者に提示され、これらが明細書の趣旨および範囲そして添付の特許請求の範囲に含まれることもまた理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の実施形態による厚膜材料の製造の温度制御装置の簡略図を示す。
【図１Ａ】本発明の実施形態による図１の装置に備えられた制御装置の簡略図を示す。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による図１Ａの制御装置に含まれるコンピュータシステム内のサブシステムのより詳細な図を示す。
【図２Ａ】本発明の実施形態による側部領域の溝を介して機械的クランプ装置によりステージに保持されたバルク材料の簡略断面図を示す。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による機械的クランプ装置によりクランプされる円形断面形状のバルク材料の簡略上面図を示す。
【図２Ｃ】本発明の他の実施形態による機械的クランプ装置によりクランプされる六角断面形状のバルク材料の簡略上面図を示す。
【図２Ｄ】本発明の他の実施形態による底部領域においてロック構造を介して機械的クランプ装置によりクランプされるバルク材料の簡略断面図を示す。
【図２Ｅ】本発明の実施形態による溝のない側部領域で直接機械的クランプ装置によりステージに保持されるバルク材料の簡略断面図を示す。
【図２Ｆ】本発明の実施形態による溝のない側部領域で直接機械的クランプ装置によりクランプされる図２Ｅのバルク材料の簡略上面図を示す。
【図３】本発明の実施形態による閉ループの溝を有するバルク材料の底部領域の簡略図を示す。
【図４】本発明の実施形態によるバルク材料の底部とステージの間にガスを充填したキャビティを用いてステージにクランプによって保持されるバルク材料の簡略断面図を示す。
【図５】本発明の実施形態による注入および劈開工程中の温度制御方法を説明する簡略フローチャートを示す。
【図６】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図７】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図８】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図９】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図１０】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図１１】本発明の実施形態による温度制御下のバルク材料から自立膜を劈開する方法を示した簡略図である。
【図１２】本発明の実施形態によるバルク材料から分離される複数の自立厚膜の簡略図を示す。
【図１３Ａ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｄ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【図１３Ｅ】本発明の実施形態によって採られるバルク材料を温度制御ステージに固定する様々な方法の一つを示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚膜材料製造の温度制御装置であって、前記装置は、
注入されるバルク材料を支持する平面を有するステージであって、前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は材料体積を与え、前記材料体積が前記底部領域と前記表面領域の間で規定される長さを有する、ステージと、
前記バルク材料と前記ステージの平面間の界面領域を通じて熱エネルギーの移動をするために前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域が実質的に露出されるよう前記バルク材料の底面領域が前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置と、
前記表面領域の温度値を測定し、入力データを生成するように構成されたセンサ装置と、
前記バルク材料の表面領域の一つまたは複数の部分に複数の粒子を注入するように構成された注入装置と、
前記入力データを受信し、少なくとも前記ステージの平面と前記バルク材料の底部領域の間の前記界面領域を通じて前記バルク材料の表面領域の温度値を上昇および／または下降させるよう前記入力データを処理するように構成された制御装置と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記機械的クランプ装置は、前記バルク材料を前記ステージの平面にクランプするために、前記バルク材料の側部領域の一つまたは複数の溝と係合するように構成され、前記一つまたは複数の溝はアダプタ板の側部の一つまたは前記バルク材料の均一部分に存在することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
安定したクランプのために、前記側部領域の一つまたは複数の溝が前記側部領域を囲むようにつながれる、または前記側部領域の適切な位置にある３つ以上の分離した溝であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記バルク材料をクランプする前記一つまたは複数の溝は、前記底部領域から前記バルク材料の長さの３０％内に設けられ、前記表面領域から７０％の前記バルク材料が前記溝の干渉なしに劈開されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記バルク材料の表面領域は注入工程を促進する平坦化された表面を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記バルク材料の底部領域は前記ステージの平面と係合する平坦化された表面を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記バルク材料が前記機械的クランプ装置によって前記ステージと係合して形成される前記界面領域は、少なくとも前記バルク材料の底部領域の部分と前記ステージの平面の部分との間に閉ループのシールによって囲まれる高さを持つキャビティを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記閉ループのシールは前記バルク材料の底部領域の端部近傍に位置することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記キャビティの高さは３ミクロンから２００ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記キャビティ内の前記ステージの平面は、ガス供給／ポンプアセンブリに接続された一つまたは複数のガス通路を備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記一つまたは複数のガス通路は、調整可能な圧力で前記キャビティ内にガスを満たすことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ガスがヘリウムまたは水素であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ガスがアルゴンまたは窒素であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記調整可能な圧力は１Ｔｏｒｒから３００Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記ガスは極低温または室温、または加熱されて供給されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を提供するように構成された誘電チャックであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ステージの平面は、前記バルク材料の底部領域と実質的に同じ面積及び形状を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記ステージは、その底部に取り付けられた流体冷却および加熱ユニットをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記ステージは、前記バルク材料を加熱するための誘導加熱器をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ステージはトレイに取り付けられており、該トレイを横切る注入ビームを走査することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
劈開される前記バルク材料は、単結晶シリコンまたはゲルマニウムインゴット、ポリ結晶シリコンタイル、マルチ結晶シリコンタイル、または化合物半導体のインゴットまたはタイルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記センサ装置は一つまたは複数の温度センサ、位置センサ、圧力センサ、表面粗さセンサを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記センサ装置は、前記表面領域の温度値と劈開工程により一つまたは複数の自立厚膜をそれぞれ分離した後のバルク材料の長さについての入力データの更新ができることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記センサ装置は、次の注入工程のために前記バルク材料の劈開後の表面領域が十分滑らかであるか否かを判断し、そうでなければ所定の表面を滑らかにする工程を実行するために、各劈開工程後に表面粗さを計測可能であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記表面を滑らかにする工程は、表面の再ラッピング、イオンスパッタリング、エッチング、滑らかな層の蒸着、およびその場アニーリング工程の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記注入装置は線形加速器を有し、前記線形加速器は一つまたは複数の高周波四重極（ＲＦＱ）要素および一つまたは複数のドリフト管線形加速器（ＤＴＬ）要素またはＲＦＱとＤＴＬの組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記線形加速器は、劈開工程を実行する粒子ビームを形成するために１ＭｅＶから５ＭｅＶまでのエネルギー範囲にイオン粒子を加速できることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記線形加速器は、出射孔に取り付けられたビーム拡大器をさらに有し、前記ビーム拡大器は前記粒子ビームのビームサイズを５０ｃｍまで拡大するかあるいはビームスキャナ装置をさらに有することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記イオン粒子は水素種を含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記イオン粒子は重水素種を含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記注入装置は少なくとも、
劈開領域近傍に欠陥領域を形成するために第１の温度で第１の複数の粒子を導入し、
応力レベルを第１の値から第２の値に増加させるために前記欠陥領域に第２の温度で第２の複数の粒子を導入するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１の温度は約−１００℃から約２５０℃の範囲であることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記第２の温度は約２５０℃より大きく５５０℃以下であることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記注入装置は、前記第１の複数の粒子を導入した後で前記第２の複数の粒子を導入する前に処理工程をさらに実行するように構成され、前記処理工程は、前記欠陥領域を前記劈開領域に近づけ、欠陥領域を安定させるための４００℃以上の第３の温度で提供される熱工程を含むことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
前記注入装置は、第２の複数の粒子を導入した後に劈開工程をさらに実行するように構成され、前記劈開工程は前記劈開領域をアニーリングして前記劈開領域で前記バルク材料から自立膜を分離することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３６】
前記バルク材料から劈開された一つまたは複数の前記自立厚膜のそれぞれは、厚さが１５ミクロンから２００ミクロンの範囲であること特徴とする請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記制御装置は、複数の対応制御コードを実行することでコンピュータシステムにより管理される複数の制御タスクおよびプロセス操作を実行することができる制御電子装置を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記制御装置は、デューティファクタ、粒子出力レベル、ビーム特性、およびドーズ率の調整を少なくとも含む注入装置の操作のための第１制御コードを実行するように構成され、または出力レベル、ビーム特性、スキャニング速度、パターン、およびスキャニング工程に対するドーズ率の調整を少なくとも含む注入の操作のための第１コードを実行するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記制御装置は、前記バルク材料の表面領域からの実質的な体積が前記クランプ装置により物理的な干渉無しに処理されるように前記バルク材料を取り扱うよう前記機械的クランプ装置に命令するための、および／または処理中の前記バルク材料の状態を監視するよう前記センサ装置に命令するための第２制御コードを実行するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記制御装置はさらに、ガス層界面を用いた前記ステージの冷却と前記注入粒子および一つまたは複数の外部放射熱源からの加熱をバランスさせることによって処理中のバルク材料の温度制御のための第３制御コードを実行するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
前記一つまたは複数の外部放射熱源は、２次元的に分布する複数のフラッシュランプを備え、各フラッシュランプは少なくとも一つのパルス繰り返し数および強度に調整されるように前記制御装置によって独立に操作されることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記バルク材料の表面領域の上方に位置する前記一つまたは複数の外部放射熱源は、表面と底部の温度差が２０℃未満で前記バルク材料の表面領域を加熱するよう緩やかに変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記バルク材料の表面領域の上方に位置する前記一つまたは複数の外部放射熱源は、前記表面領域の熱伝導時定数より速く前記バルク材料の表面領域を加熱するよう急速に変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４４】
前記前記急速に変化する熱出力フラックス速度を有する熱源はパルスレーザであることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記パルスレーザはＹＡＧまたはＹＬＦＱスイッチレーザであることを特徴とする請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
一つまたは複数の厚膜の製造のためにバルク材料を取り付ける装置であって、前記装置は、
前記バルク材料を支持するための平面を有するステージであって、前記バルク材料は平坦化された表面領域、平坦化された端部領域、および前記表面領域から前記端部領域までの長さを有する側部領域を有する、ステージと、
前記表面領域と前記表面領域から少なくとも７０％の長さの前記側部領域が実質的に露出され、一つまたは複数の厚膜の製造のためにクランプ装置の干渉なしに劈開できるよう、前記バルク材料の平坦化された端部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項４７】
前記係合された前記ステージの平面と前記バルク材料の底部領域は、前記底部領域の端部の周囲に位置する閉ループの気密シールによって囲まれた、ある高さを有するキャビティを備えた界面領域を形成することを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記キャビティ内の前記ステージの平面は、ガス供給／ポンプアセンブリに接続された複数のガス通路を備えることを特徴とする請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記複数のガス通路は、調整可能な圧力で前記キャビティ内にガスを充填することを特徴とする請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記ガスはヘリウム、水素、アルゴン、または窒素であることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記調整可能な圧力は１Ｔｏｒｒから３００Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５２】
前記ガスは極低温または室温、または加熱されて供給されることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５３】
前記閉ループのシールは、本質的に対称な多角形または円形を有する前記バルク材料の底部領域の形状に実質的に類似するＯリングまたは金属フランジを含むことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５４】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を提供するように構成された誘電チャックであることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５５】
前記ステージはさらに、その底部に取り付けられた流体冷却および加熱ユニットを有することを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５６】
前記ステージはさらに、前記バルク材料を加熱するための誘導加熱器を有することを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５７】
前記機械的クランプ装置は、着脱可能なクランプを実行することができるロボットの一部であることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５８】
前記機械的クランプ装置は、前記バルク材料の側部領域の一つまたは複数の溝、または前記底部領域の一つまたは複数の保持手段を利用することによって、前記ステージに前記バルク材料を着脱可能にクランプするように構成されることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５９】
バルク材料から複数の自立厚膜を劈開する工程中の温度制御方法であって、前記方法は、
劈開するバルク材料を用意し、前記バルク材料は表面領域、底部領域、
前記表面領域から前記底部領域までの長さを有する側部領域を有し、
前記底部領域と平面との間にある高さを有するキャビティを形成するよう、前記バルク材料の底部領域がシールを介してステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク材料をクランプし、前記平面は前記キャビティ内に充填されたガスを圧力調整可能にする複数のガス通路を有し、
入力データを生成するために前記バルク材料の状態を検知し、前記入力データは前記表面領域および前記底部領域での温度情報および前記表面領域と前記底部領域間の前記バルク材料の長さを含み、
少なくとも前記入力データを処理し、前記表面領域を加熱するための粒子放射、前記表面領域を加熱するための放射、前記底部領域と前記ステージ間のガスを補助に使う伝導のうち少なくとも一つまたは複数を利用した制御方式を実行することにより、前記表面領域の温度を維持すること、を特徴とする方法。
【請求項６０】
前記ステージはさらに、前記バルク材料を前記制御方式で加熱する誘導加熱器を有することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記バルク材料は、単結晶シリコンまたはゲルマニウムインゴット、ポリ結晶シリコンタイル、マルチ結晶シリコンタイル、および化合物半導体のインゴットまたはタイルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記バルク材料は、前記劈開の工程を促進するために前記表面領域を平坦化するように前処理されることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記機械的クランプ装置による前記バルク材料のクランプは、クランプ装置の干渉なしに厚膜を劈開するために前記表面領域と前記表面領域から少なくとも７０％のバルク材料が実質的に露出されるように実行されることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記機械的クランプは、着脱可能なクランプを実行することができるロボットの一部であることを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記機械的クランプはまた、ジュール加熱により前記バルク材料を加熱するために前記バルク材料と電気的に接続することを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記シールは、気密シールであって、前記キャビティ内で３００Ｔｏｒｒまでの圧力を十分保持可能であることを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記シールはＯリングまたは誘電体フランジまたは金属フランジを含むことを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記キャビティに供給されるガスは、水素、ヘリウム、アルゴン、または窒素の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
前記キャビティに供給されるガスを、極低温ガス、室温ガス、または加熱されたガスにすることができることを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項７０】
前記ステージの平面は、前記バルク材料の底部領域と実質的に同じ面積と形状を有することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項７１】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を発生させることができる誘電チャックであることを特徴とする請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記ステージはさらに、その底部に取り付けられた流体温度制御ユニットを有することを特徴とする請求項７０に記載の方法。
【請求項７３】
前記流体温度制御ユニットは、前記ステージを介して前記バルク材料を冷却または加熱するために液体またはガスを利用することを特徴とする請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記ステージおよび前記機械的クランプ装置は、いずれもＸ−Ｙの２次元的な動きが可能なトレイに取り付けられることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項７５】
前記バルク材料の状態の検知は、温度センサ、位置センサ、圧力センサ、および／または表面粗さプローブを含む複数のセンサを使用することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項７６】
前記温度センサは、温度測定を実行する一つまたは複数の光高温計または熱電対を含むことを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記位置センサは、連続的な劈開工程により各自立厚膜が前記バルク材料から分離された後の前記バルク材料の長さを追跡記録することができることを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記表面粗さプローブは、前記バルク材料から各自立厚膜を劈開した後に前記表面領域の粗さの値のその場での測定を実行することができることを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
前記劈開工程は、前記粗さのパラメータが予め設定された基準を満たす場合は継続され、そうでなければ前記表面領域を修復するために前記劈開工程が一時停止されることを特徴とする請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記バルク材料の表面領域は、イオン粒子照射、エッチング、または前記表面領域への滑らかな層の蒸着の少なくとも一つの工程によって修復されることを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記表面領域を加熱するための放射は、前記表面領域の上方に位置する外部放射熱源を使用することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項８２】
前記放射熱源は、制御された電源、パルス繰り返し数、および空間的分布を有する複数のフラッシュランプを含むことを特徴とする請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
前記外部放射熱源は、表面と底部との温度差が２０℃未満で前記バルク材料の表面領域を加熱するよう緩やかに変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項８１に記載の方法。
【請求項８４】
前記外部放射熱源は、前記表面領域の熱伝導時定数より速く前記バルク材料の表面領域を加熱するよう急速に変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項８１に記載の方法。
【請求項８５】
前記前記急速に変化する熱出力フラックス速度を有する熱源は、パルスレーザであることを特徴とする請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
前記パルスレーザはＹＡＧまたはＹＬＦＱスイッチレーザであることを特徴とする請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記表面領域を加熱するための前記粒子照射の利用は、注入装置によって発生するイオン粒子ビームからの出力フラックスを用いることを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項８８】
前記イオン粒子ビームからの出力フラックスは、前記注入装置のデューティファクタを変えることによって調整できることを特徴とする請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記デューティファクタは電磁走査装置によって調整できることを特徴とする請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記底部領域を冷却するために前記底部領域と前記ステージ間のガスを補助に使う伝導の利用は、熱出力の移動を制御するために前記キャビティ内の前記ガスの圧力を調整することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項９１】
前記キャビティの高さは３ミクロンから２００ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項９２】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離するための劈開工程は、劈開領域近傍に欠陥領域を形成するために第１の温度で第１の複数の粒子を導入し、第１の値から第２の値に前記劈開領域の応力の増加を生じさせるために第２の温度で前記欠陥領域に第２の複数の粒子を導入することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項９３】
前記第１の複数の粒子は、水素、重水素、またはヘリウムの種の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
前記第１の複数の粒子は、平方ｃｍあたり８×１０16以下のドーズで供給されることを特徴とする請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
前記第２の複数の粒子は、水素、重水素、またはヘリウムの種の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９６】
前記第２の複数の粒子は、平方ｃｍあたり５×１０16以下のドーズで供給されることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９７】
前記複数の粒子の導入は線形加速器工程を使用して提供され、前記線形加速器工程は前記粒子を閉じ込めて加速するために複数の高周波四重極（ＲＦＱ）要素および複数のドリフト管線形加速器（ＤＴＬ）要素または両方の組み合わせを使用することを含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９８】
前記複数の粒子は、１ＭｅＶから５ＭｅＶまでのエネルギー範囲で供給されることを特徴とする請求項９７に記載の方法。
【請求項９９】
前記第１の複数の粒子を導入した後かつ前記第２の複数の粒子を導入する前の処理工程をさらに備え、前記処理工程は前記欠陥領域を前記劈開領域に近づけ、欠陥領域を安定させるために４００℃以上の温度で提供される熱工程を含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１００】
前記第１の温度は約−１００℃から約２５０℃の範囲であることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１０１】
前記第１の温度は約２５０℃未満であることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１０２】
前記第２の温度は約２５０℃より大きく５５０℃以下であることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１０３】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離する前記劈開工程はさらに、約１５ミクロンより大きく２００ミクロン未満の厚さの前記バルク材料の複数の自立厚膜を繰り返し製造することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１０４】
前記劈開工程は、前記膜を分離するための熱劈開工程であることを特徴とする請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記劈開工程は、前記膜を分離するための垂直温度勾配を利用した制御された劈開工程（ＣＣＰ）であることを特徴とする請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０６】
前記垂直温度勾配は、パルスレーザシステム、パルスフラッシュランプ、パルスイオンビーム、対流熱伝達の生成、熱伝導の生成を含む一つまたは複数のグループを用いて生成されることを特徴とする請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０７】
前記劈開工程は、前記膜を分離するための水平温度／応力勾配を利用した制御された劈開工程（ＣＣＰ）であることを特徴とする請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０８】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離する前記劈開工程はさらに、劈開をより高いドーズにおいて優先的に開始させるように注入ドーズ勾配を用いることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１０９】
イオン注入ソースはまた、単独または追加のエネルギー照射により劈開が開始するよう構成された高ドーズ領域を有するパターン化された注入を形成するように用いられることを特徴とする請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１０】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離する前記劈開工程はさらに、表面き裂を除去し残りのバルク材料の表面粗さを低減するために、自立厚膜の表面処理を実行することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記粒子照射は、単独または熱エネルギーの投入により劈開が開始されるよう十分高いドーズの部分を有するパターン注入を形成することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１１２】
前記機械的クランプは、前記バルク材料の均一部分の溝に係合する、または前記均一部分と接触するアダプタ板の溝に係合することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１１３】
厚膜転写のための半導体材料を処理する方法であって、前記方法は、
バルク半導体材料をステージの平面に設け、前記バルク半導体材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は前記底部領域と前記表面領域の間で規定される長さを有する材料の体積を提供し、前記底部領域を前記平面に結合し、
前記バルク材料と前記ステージの平面間で熱エネルギーの移動が生じるよう前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域が実質的に露出されるよう前記バルク材料の底部領域が前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク半導体材料を固定し、
前記表面領域が実質的に露出され、前記機械的クランプ装置により前記ステージの平面に保持される間に前記バルク材料の表面領域を処理すること、を特徴とする方法。
【請求項１１４】
バルク材料から自立膜を連続的に劈開するための方法であって、前記方法は、
機械的クランプ装置を用いてバルク材料をステージに固定し、前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記表面領域は前記側部領域に接続し体積を規定するよう前記側部領域から約９０度の角度に向けられ、前記機械的クランプ装置は前記底部領域が固く前記ステージに係合するよう前記バルク材料の底部領域および／または側部領域に接続するように設けられ、
前記表面領域に垂直な方向に物理的干渉が実質的に無く前記表面領域を保持し、
前記表面領域に前記表面領域の処理に対する物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理し、
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持すること、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１１５】
前記バルク材料は、単結晶シリコンまたはゲルマニウムインゴット、ポリ結晶シリコンタイル、マルチ結晶シリコンタイル、または化合物半導体のインゴットまたはタイルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１６】
前記ステージは、前記平面と前記底部領域の間のシールを介して前記バルク材料の底部領域を固く係合するための平面を有することを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１７】
前記シールは、前記ステージと前記底部領域の間にガス充填したキャビティを形成することができる閉ループの気密シールであることを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
【請求項１１８】
前記ステージの平面は、前記ステージ内にガス供給アセンブリに接続された複数のガス通路を備えることを特徴とする請求項１１６に記載の装置。
【請求項１１９】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を発生させることができる誘電チャックであることを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
【請求項１２０】
前記機械的クランプ装置は、前記底部領域から側部領域の少なくとも３０％未満の長さの位置または底部領域において、一つまたは複数のアームを介してバルク材料と係合することを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２１】
前記一つまたは複数のアームは、前記バルク材料の形状に適合する滑らかな表面を有することを特徴とする請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２２】
前記ステージおよび前記機械的クランプ装置は、いずれも前記ステージに平行にＸ−Ｙの２次元的な動きが可能なトレイに取り付けられることを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２３】
前記表面領域に垂直な方向に物理的干渉が実質的に無く前記表面領域を保持することは、処理のために、全ての端を含む表面領域の１００％の領域を露出することを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２４】
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理することはさらに、前記表面領域下部の所望の深さで劈開領域近傍内に欠陥領域を形成するために複数の粒子を導入することによる注入工程を含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２５】
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理することはさらに、前記バルク材料の劈開領域から第１の膜を分離するための熱処理および制御された劈開を実行することを含むことを特徴とする請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理することはさらに、物理的干渉無しに前記バルク材料の少なくとも７０％の体積から第２のまたはそれより多くの膜を分離するための前記注入工程および前記劈開工程を繰り返すことを含むことを特徴とする請求項１２５に記載の方法。
【請求項１２７】
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することは、前記表面領域の温度、または前記劈開領域上の上を覆う膜の温度、または両方の温度を維持することを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２８】
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することは、注入イオン粒子からの放射、ＣＷソースまたはパルス熱源を含む一つまたは複数の外部放射源、前記クランプ装置から伝えられるジュール熱の少なくとも一つを利用することによって前記表面領域の前記温度を増加させること、または前記底部領域から前記ステージへガスの補助による伝達を介して前記バルク材料の底部領域を冷却することによって前記温度を低下させることを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２９】
バルク材料を処理するシステムであって、前記システムはバルク材料をステージに固定するように設けられた機械的クランプ装置を備え、前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記表面領域は前記側部領域に接続し体積を定義するよう前記側部領域から約９０度の角度に向けられ、前記機械的クランプ装置は前記底部領域が固く前記ステージに係合するよう前記バルク材料の底部領域および／または側部領域に接続するように設けられ、一方で前記表面領域は、前記表面領域に垂直な方向に物理的干渉が実質的に無く保持され、前記システムは一つまたは複数のコンピュータが読み取り可能なメモリを備え、前記コンピュータが読み取り可能なメモリは、
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理するためのプログラムを起動することを対象にする一つまたは複数のコードと、
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することを対象にする一つまたは複数のコードと、を有することを特徴とする方法。
【請求項１３０】
前記線形加速器は直流線形加速器を含むことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項１】
厚膜材料製造の温度制御装置であって、前記装置は、
注入されるバルク材料を支持する平面を有するステージであって、前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は材料体積を与え、前記材料体積が前記底部領域と前記表面領域の間で規定される長さを有する、ステージと、
前記バルク材料と前記ステージの平面間の界面領域を通じて熱エネルギーの移動をするために前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域が実質的に露出されるよう前記バルク材料の底面領域が前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置と、
前記表面領域の温度値を測定し、入力データを生成するように構成されたセンサ装置と、
前記バルク材料の表面領域の一つまたは複数の部分に複数の粒子を注入するように構成された注入装置と、
前記入力データを受信し、少なくとも前記ステージの平面と前記バルク材料の底部領域の間の前記界面領域を通じて前記バルク材料の表面領域の温度値を上昇および／または下降させるよう前記入力データを処理するように構成された制御装置と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記機械的クランプ装置は、前記バルク材料を前記ステージの平面にクランプするために、前記バルク材料の側部領域の一つまたは複数の溝と係合するように構成され、前記一つまたは複数の溝はアダプタ板の側部の一つまたは前記バルク材料の均一部分に存在することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
安定したクランプのために、前記側部領域の一つまたは複数の溝が前記側部領域を囲むようにつながれる、または前記側部領域の適切な位置にある３つ以上の分離した溝であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記バルク材料をクランプする前記一つまたは複数の溝は、前記底部領域から前記バルク材料の長さの３０％内に設けられ、前記表面領域から７０％の前記バルク材料が前記溝の干渉なしに劈開されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記バルク材料の表面領域は注入工程を促進する平坦化された表面を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記バルク材料の底部領域は前記ステージの平面と係合する平坦化された表面を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記バルク材料が前記機械的クランプ装置によって前記ステージと係合して形成される前記界面領域は、少なくとも前記バルク材料の底部領域の部分と前記ステージの平面の部分との間に閉ループのシールによって囲まれる高さを持つキャビティを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記閉ループのシールは前記バルク材料の底部領域の端部近傍に位置することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記キャビティの高さは３ミクロンから２００ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記キャビティ内の前記ステージの平面は、ガス供給／ポンプアセンブリに接続された一つまたは複数のガス通路を備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記一つまたは複数のガス通路は、調整可能な圧力で前記キャビティ内にガスを満たすことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ガスがヘリウムまたは水素であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ガスがアルゴンまたは窒素であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記調整可能な圧力は１Ｔｏｒｒから３００Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記ガスは極低温または室温、または加熱されて供給されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を提供するように構成された誘電チャックであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ステージの平面は、前記バルク材料の底部領域と実質的に同じ面積及び形状を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記ステージは、その底部に取り付けられた流体冷却および加熱ユニットをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記ステージは、前記バルク材料を加熱するための誘導加熱器をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ステージはトレイに取り付けられており、該トレイを横切る注入ビームを走査することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
劈開される前記バルク材料は、単結晶シリコンまたはゲルマニウムインゴット、ポリ結晶シリコンタイル、マルチ結晶シリコンタイル、または化合物半導体のインゴットまたはタイルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記センサ装置は一つまたは複数の温度センサ、位置センサ、圧力センサ、表面粗さセンサを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記センサ装置は、前記表面領域の温度値と劈開工程により一つまたは複数の自立厚膜をそれぞれ分離した後のバルク材料の長さについての入力データの更新ができることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記センサ装置は、次の注入工程のために前記バルク材料の劈開後の表面領域が十分滑らかであるか否かを判断し、そうでなければ所定の表面を滑らかにする工程を実行するために、各劈開工程後に表面粗さを計測可能であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記表面を滑らかにする工程は、表面の再ラッピング、イオンスパッタリング、エッチング、滑らかな層の蒸着、およびその場アニーリング工程の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記注入装置は線形加速器を有し、前記線形加速器は一つまたは複数の高周波四重極（ＲＦＱ）要素および一つまたは複数のドリフト管線形加速器（ＤＴＬ）要素またはＲＦＱとＤＴＬの組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記線形加速器は、劈開工程を実行する粒子ビームを形成するために１ＭｅＶから５ＭｅＶまでのエネルギー範囲にイオン粒子を加速できることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記線形加速器は、出射孔に取り付けられたビーム拡大器をさらに有し、前記ビーム拡大器は前記粒子ビームのビームサイズを５０ｃｍまで拡大するかあるいはビームスキャナ装置をさらに有することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記イオン粒子は水素種を含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記イオン粒子は重水素種を含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記注入装置は少なくとも、
劈開領域近傍に欠陥領域を形成するために第１の温度で第１の複数の粒子を導入し、
応力レベルを第１の値から第２の値に増加させるために前記欠陥領域に第２の温度で第２の複数の粒子を導入するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１の温度は約−１００℃から約２５０℃の範囲であることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記第２の温度は約２５０℃より大きく５５０℃以下であることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記注入装置は、前記第１の複数の粒子を導入した後で前記第２の複数の粒子を導入する前に処理工程をさらに実行するように構成され、前記処理工程は、前記欠陥領域を前記劈開領域に近づけ、欠陥領域を安定させるための４００℃以上の第３の温度で提供される熱工程を含むことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
前記注入装置は、第２の複数の粒子を導入した後に劈開工程をさらに実行するように構成され、前記劈開工程は前記劈開領域をアニーリングして前記劈開領域で前記バルク材料から自立膜を分離することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３６】
前記バルク材料から劈開された一つまたは複数の前記自立厚膜のそれぞれは、厚さが１５ミクロンから２００ミクロンの範囲であること特徴とする請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記制御装置は、複数の対応制御コードを実行することでコンピュータシステムにより管理される複数の制御タスクおよびプロセス操作を実行することができる制御電子装置を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記制御装置は、デューティファクタ、粒子出力レベル、ビーム特性、およびドーズ率の調整を少なくとも含む注入装置の操作のための第１制御コードを実行するように構成され、または出力レベル、ビーム特性、スキャニング速度、パターン、およびスキャニング工程に対するドーズ率の調整を少なくとも含む注入の操作のための第１コードを実行するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記制御装置は、前記バルク材料の表面領域からの実質的な体積が前記クランプ装置により物理的な干渉無しに処理されるように前記バルク材料を取り扱うよう前記機械的クランプ装置に命令するための、および／または処理中の前記バルク材料の状態を監視するよう前記センサ装置に命令するための第２制御コードを実行するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記制御装置はさらに、ガス層界面を用いた前記ステージの冷却と前記注入粒子および一つまたは複数の外部放射熱源からの加熱をバランスさせることによって処理中のバルク材料の温度制御のための第３制御コードを実行するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
前記一つまたは複数の外部放射熱源は、２次元的に分布する複数のフラッシュランプを備え、各フラッシュランプは少なくとも一つのパルス繰り返し数および強度に調整されるように前記制御装置によって独立に操作されることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記バルク材料の表面領域の上方に位置する前記一つまたは複数の外部放射熱源は、表面と底部の温度差が２０℃未満で前記バルク材料の表面領域を加熱するよう緩やかに変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記バルク材料の表面領域の上方に位置する前記一つまたは複数の外部放射熱源は、前記表面領域の熱伝導時定数より速く前記バルク材料の表面領域を加熱するよう急速に変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４４】
前記前記急速に変化する熱出力フラックス速度を有する熱源はパルスレーザであることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記パルスレーザはＹＡＧまたはＹＬＦＱスイッチレーザであることを特徴とする請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
一つまたは複数の厚膜の製造のためにバルク材料を取り付ける装置であって、前記装置は、
前記バルク材料を支持するための平面を有するステージであって、前記バルク材料は平坦化された表面領域、平坦化された端部領域、および前記表面領域から前記端部領域までの長さを有する側部領域を有する、ステージと、
前記表面領域と前記表面領域から少なくとも７０％の長さの前記側部領域が実質的に露出され、一つまたは複数の厚膜の製造のためにクランプ装置の干渉なしに劈開できるよう、前記バルク材料の平坦化された端部領域を前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項４７】
前記係合された前記ステージの平面と前記バルク材料の底部領域は、前記底部領域の端部の周囲に位置する閉ループの気密シールによって囲まれた、ある高さを有するキャビティを備えた界面領域を形成することを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記キャビティ内の前記ステージの平面は、ガス供給／ポンプアセンブリに接続された複数のガス通路を備えることを特徴とする請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記複数のガス通路は、調整可能な圧力で前記キャビティ内にガスを充填することを特徴とする請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記ガスはヘリウム、水素、アルゴン、または窒素であることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記調整可能な圧力は１Ｔｏｒｒから３００Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５２】
前記ガスは極低温または室温、または加熱されて供給されることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５３】
前記閉ループのシールは、本質的に対称な多角形または円形を有する前記バルク材料の底部領域の形状に実質的に類似するＯリングまたは金属フランジを含むことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５４】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を提供するように構成された誘電チャックであることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５５】
前記ステージはさらに、その底部に取り付けられた流体冷却および加熱ユニットを有することを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５６】
前記ステージはさらに、前記バルク材料を加熱するための誘導加熱器を有することを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５７】
前記機械的クランプ装置は、着脱可能なクランプを実行することができるロボットの一部であることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５８】
前記機械的クランプ装置は、前記バルク材料の側部領域の一つまたは複数の溝、または前記底部領域の一つまたは複数の保持手段を利用することによって、前記ステージに前記バルク材料を着脱可能にクランプするように構成されることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５９】
バルク材料から複数の自立厚膜を劈開する工程中の温度制御方法であって、前記方法は、
劈開するバルク材料を用意し、前記バルク材料は表面領域、底部領域、
前記表面領域から前記底部領域までの長さを有する側部領域を有し、
前記底部領域と平面との間にある高さを有するキャビティを形成するよう、前記バルク材料の底部領域がシールを介してステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク材料をクランプし、前記平面は前記キャビティ内に充填されたガスを圧力調整可能にする複数のガス通路を有し、
入力データを生成するために前記バルク材料の状態を検知し、前記入力データは前記表面領域および前記底部領域での温度情報および前記表面領域と前記底部領域間の前記バルク材料の長さを含み、
少なくとも前記入力データを処理し、前記表面領域を加熱するための粒子放射、前記表面領域を加熱するための放射、前記底部領域と前記ステージ間のガスを補助に使う伝導のうち少なくとも一つまたは複数を利用した制御方式を実行することにより、前記表面領域の温度を維持すること、を特徴とする方法。
【請求項６０】
前記ステージはさらに、前記バルク材料を前記制御方式で加熱する誘導加熱器を有することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記バルク材料は、単結晶シリコンまたはゲルマニウムインゴット、ポリ結晶シリコンタイル、マルチ結晶シリコンタイル、および化合物半導体のインゴットまたはタイルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記バルク材料は、前記劈開の工程を促進するために前記表面領域を平坦化するように前処理されることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記機械的クランプ装置による前記バルク材料のクランプは、クランプ装置の干渉なしに厚膜を劈開するために前記表面領域と前記表面領域から少なくとも７０％のバルク材料が実質的に露出されるように実行されることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記機械的クランプは、着脱可能なクランプを実行することができるロボットの一部であることを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記機械的クランプはまた、ジュール加熱により前記バルク材料を加熱するために前記バルク材料と電気的に接続することを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記シールは、気密シールであって、前記キャビティ内で３００Ｔｏｒｒまでの圧力を十分保持可能であることを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記シールはＯリングまたは誘電体フランジまたは金属フランジを含むことを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記キャビティに供給されるガスは、水素、ヘリウム、アルゴン、または窒素の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
前記キャビティに供給されるガスを、極低温ガス、室温ガス、または加熱されたガスにすることができることを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項７０】
前記ステージの平面は、前記バルク材料の底部領域と実質的に同じ面積と形状を有することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項７１】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を発生させることができる誘電チャックであることを特徴とする請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記ステージはさらに、その底部に取り付けられた流体温度制御ユニットを有することを特徴とする請求項７０に記載の方法。
【請求項７３】
前記流体温度制御ユニットは、前記ステージを介して前記バルク材料を冷却または加熱するために液体またはガスを利用することを特徴とする請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記ステージおよび前記機械的クランプ装置は、いずれもＸ−Ｙの２次元的な動きが可能なトレイに取り付けられることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項７５】
前記バルク材料の状態の検知は、温度センサ、位置センサ、圧力センサ、および／または表面粗さプローブを含む複数のセンサを使用することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項７６】
前記温度センサは、温度測定を実行する一つまたは複数の光高温計または熱電対を含むことを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記位置センサは、連続的な劈開工程により各自立厚膜が前記バルク材料から分離された後の前記バルク材料の長さを追跡記録することができることを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記表面粗さプローブは、前記バルク材料から各自立厚膜を劈開した後に前記表面領域の粗さの値のその場での測定を実行することができることを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
前記劈開工程は、前記粗さのパラメータが予め設定された基準を満たす場合は継続され、そうでなければ前記表面領域を修復するために前記劈開工程が一時停止されることを特徴とする請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記バルク材料の表面領域は、イオン粒子照射、エッチング、または前記表面領域への滑らかな層の蒸着の少なくとも一つの工程によって修復されることを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記表面領域を加熱するための放射は、前記表面領域の上方に位置する外部放射熱源を使用することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項８２】
前記放射熱源は、制御された電源、パルス繰り返し数、および空間的分布を有する複数のフラッシュランプを含むことを特徴とする請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
前記外部放射熱源は、表面と底部との温度差が２０℃未満で前記バルク材料の表面領域を加熱するよう緩やかに変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項８１に記載の方法。
【請求項８４】
前記外部放射熱源は、前記表面領域の熱伝導時定数より速く前記バルク材料の表面領域を加熱するよう急速に変化する熱出力フラックス速度を有する一つまたは複数の熱源を含むことを特徴とする請求項８１に記載の方法。
【請求項８５】
前記前記急速に変化する熱出力フラックス速度を有する熱源は、パルスレーザであることを特徴とする請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
前記パルスレーザはＹＡＧまたはＹＬＦＱスイッチレーザであることを特徴とする請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記表面領域を加熱するための前記粒子照射の利用は、注入装置によって発生するイオン粒子ビームからの出力フラックスを用いることを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項８８】
前記イオン粒子ビームからの出力フラックスは、前記注入装置のデューティファクタを変えることによって調整できることを特徴とする請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記デューティファクタは電磁走査装置によって調整できることを特徴とする請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記底部領域を冷却するために前記底部領域と前記ステージ間のガスを補助に使う伝導の利用は、熱出力の移動を制御するために前記キャビティ内の前記ガスの圧力を調整することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項９１】
前記キャビティの高さは３ミクロンから２００ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項９２】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離するための劈開工程は、劈開領域近傍に欠陥領域を形成するために第１の温度で第１の複数の粒子を導入し、第１の値から第２の値に前記劈開領域の応力の増加を生じさせるために第２の温度で前記欠陥領域に第２の複数の粒子を導入することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項９３】
前記第１の複数の粒子は、水素、重水素、またはヘリウムの種の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
前記第１の複数の粒子は、平方ｃｍあたり８×１０16以下のドーズで供給されることを特徴とする請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
前記第２の複数の粒子は、水素、重水素、またはヘリウムの種の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９６】
前記第２の複数の粒子は、平方ｃｍあたり５×１０16以下のドーズで供給されることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９７】
前記複数の粒子の導入は線形加速器工程を使用して提供され、前記線形加速器工程は前記粒子を閉じ込めて加速するために複数の高周波四重極（ＲＦＱ）要素および複数のドリフト管線形加速器（ＤＴＬ）要素または両方の組み合わせを使用することを含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項９８】
前記複数の粒子は、１ＭｅＶから５ＭｅＶまでのエネルギー範囲で供給されることを特徴とする請求項９７に記載の方法。
【請求項９９】
前記第１の複数の粒子を導入した後かつ前記第２の複数の粒子を導入する前の処理工程をさらに備え、前記処理工程は前記欠陥領域を前記劈開領域に近づけ、欠陥領域を安定させるために４００℃以上の温度で提供される熱工程を含むことを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１００】
前記第１の温度は約−１００℃から約２５０℃の範囲であることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１０１】
前記第１の温度は約２５０℃未満であることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１０２】
前記第２の温度は約２５０℃より大きく５５０℃以下であることを特徴とする請求項９２に記載の方法。
【請求項１０３】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離する前記劈開工程はさらに、約１５ミクロンより大きく２００ミクロン未満の厚さの前記バルク材料の複数の自立厚膜を繰り返し製造することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１０４】
前記劈開工程は、前記膜を分離するための熱劈開工程であることを特徴とする請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記劈開工程は、前記膜を分離するための垂直温度勾配を利用した制御された劈開工程（ＣＣＰ）であることを特徴とする請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０６】
前記垂直温度勾配は、パルスレーザシステム、パルスフラッシュランプ、パルスイオンビーム、対流熱伝達の生成、熱伝導の生成を含む一つまたは複数のグループを用いて生成されることを特徴とする請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０７】
前記劈開工程は、前記膜を分離するための水平温度／応力勾配を利用した制御された劈開工程（ＣＣＰ）であることを特徴とする請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０８】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離する前記劈開工程はさらに、劈開をより高いドーズにおいて優先的に開始させるように注入ドーズ勾配を用いることを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１０９】
イオン注入ソースはまた、単独または追加のエネルギー照射により劈開が開始するよう構成された高ドーズ領域を有するパターン化された注入を形成するように用いられることを特徴とする請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１０】
前記バルク材料から一つまたは複数の自立厚膜を連続的に分離する前記劈開工程はさらに、表面き裂を除去し残りのバルク材料の表面粗さを低減するために、自立厚膜の表面処理を実行することを含むことを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記粒子照射は、単独または熱エネルギーの投入により劈開が開始されるよう十分高いドーズの部分を有するパターン注入を形成することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１１２】
前記機械的クランプは、前記バルク材料の均一部分の溝に係合する、または前記均一部分と接触するアダプタ板の溝に係合することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項１１３】
厚膜転写のための半導体材料を処理する方法であって、前記方法は、
バルク半導体材料をステージの平面に設け、前記バルク半導体材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記側部領域、前記底部領域、および前記表面領域は前記底部領域と前記表面領域の間で規定される長さを有する材料の体積を提供し、前記底部領域を前記平面に結合し、
前記バルク材料と前記ステージの平面間で熱エネルギーの移動が生じるよう前記バルク材料が前記平面と物理的に接触する一方で前記バルク材料の表面領域が実質的に露出されるよう前記バルク材料の底部領域が前記ステージの平面に係合するように設けられた機械的クランプ装置を用いて前記バルク半導体材料を固定し、
前記表面領域が実質的に露出され、前記機械的クランプ装置により前記ステージの平面に保持される間に前記バルク材料の表面領域を処理すること、を特徴とする方法。
【請求項１１４】
バルク材料から自立膜を連続的に劈開するための方法であって、前記方法は、
機械的クランプ装置を用いてバルク材料をステージに固定し、前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記表面領域は前記側部領域に接続し体積を規定するよう前記側部領域から約９０度の角度に向けられ、前記機械的クランプ装置は前記底部領域が固く前記ステージに係合するよう前記バルク材料の底部領域および／または側部領域に接続するように設けられ、
前記表面領域に垂直な方向に物理的干渉が実質的に無く前記表面領域を保持し、
前記表面領域に前記表面領域の処理に対する物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理し、
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持すること、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１１５】
前記バルク材料は、単結晶シリコンまたはゲルマニウムインゴット、ポリ結晶シリコンタイル、マルチ結晶シリコンタイル、または化合物半導体のインゴットまたはタイルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１６】
前記ステージは、前記平面と前記底部領域の間のシールを介して前記バルク材料の底部領域を固く係合するための平面を有することを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１７】
前記シールは、前記ステージと前記底部領域の間にガス充填したキャビティを形成することができる閉ループの気密シールであることを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
【請求項１１８】
前記ステージの平面は、前記ステージ内にガス供給アセンブリに接続された複数のガス通路を備えることを特徴とする請求項１１６に記載の装置。
【請求項１１９】
前記ステージは前記バルク材料を引き付けるための静電気力を発生させることができる誘電チャックであることを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
【請求項１２０】
前記機械的クランプ装置は、前記底部領域から側部領域の少なくとも３０％未満の長さの位置または底部領域において、一つまたは複数のアームを介してバルク材料と係合することを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２１】
前記一つまたは複数のアームは、前記バルク材料の形状に適合する滑らかな表面を有することを特徴とする請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２２】
前記ステージおよび前記機械的クランプ装置は、いずれも前記ステージに平行にＸ−Ｙの２次元的な動きが可能なトレイに取り付けられることを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２３】
前記表面領域に垂直な方向に物理的干渉が実質的に無く前記表面領域を保持することは、処理のために、全ての端を含む表面領域の１００％の領域を露出することを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２４】
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理することはさらに、前記表面領域下部の所望の深さで劈開領域近傍内に欠陥領域を形成するために複数の粒子を導入することによる注入工程を含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２５】
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理することはさらに、前記バルク材料の劈開領域から第１の膜を分離するための熱処理および制御された劈開を実行することを含むことを特徴とする請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理することはさらに、物理的干渉無しに前記バルク材料の少なくとも７０％の体積から第２のまたはそれより多くの膜を分離するための前記注入工程および前記劈開工程を繰り返すことを含むことを特徴とする請求項１２５に記載の方法。
【請求項１２７】
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することは、前記表面領域の温度、または前記劈開領域上の上を覆う膜の温度、または両方の温度を維持することを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２８】
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することは、注入イオン粒子からの放射、ＣＷソースまたはパルス熱源を含む一つまたは複数の外部放射源、前記クランプ装置から伝えられるジュール熱の少なくとも一つを利用することによって前記表面領域の前記温度を増加させること、または前記底部領域から前記ステージへガスの補助による伝達を介して前記バルク材料の底部領域を冷却することによって前記温度を低下させることを含むことを特徴とする請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２９】
バルク材料を処理するシステムであって、前記システムはバルク材料をステージに固定するように設けられた機械的クランプ装置を備え、前記バルク材料は表面領域、側部領域、および底部領域を有し、前記表面領域は前記側部領域に接続し体積を定義するよう前記側部領域から約９０度の角度に向けられ、前記機械的クランプ装置は前記底部領域が固く前記ステージに係合するよう前記バルク材料の底部領域および／または側部領域に接続するように設けられ、一方で前記表面領域は、前記表面領域に垂直な方向に物理的干渉が実質的に無く保持され、前記システムは一つまたは複数のコンピュータが読み取り可能なメモリを備え、前記コンピュータが読み取り可能なメモリは、
前記表面領域に前記表面領域の処理の物理的干渉が実質的に無い間に少なくとも前記表面領域を処理するためのプログラムを起動することを対象にする一つまたは複数のコードと、
前記表面領域の処理中に前記表面領域の温度を選択的に維持することを対象にする一つまたは複数のコードと、を有することを特徴とする方法。
【請求項１３０】
前記線形加速器は直流線形加速器を含むことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【図１】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１３Ｅ】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１３Ｅ】
【公開番号】特開２００８−２８５３９７（Ｐ２００８−２８５３９７Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−１４７３６（Ｐ２００８−１４７３６）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．フロッピー
【出願人】（５０６２１２５６９）シリコン ジェネシス コーポレーション (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４７３６（Ｐ２００８−１４７３６）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．フロッピー
【出願人】（５０６２１２５６９）シリコン ジェネシス コーポレーション (11)
【Ｆターム（参考）】
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