ポリマーを伴った基板の熱処理による自立固体層の作製

专利摘要:
自立固体層を作製する方法において、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意し、利用可能なその表面上にポリマー層を形成する。次いで、固体材料およびポリマー層を、約室温の第１の温度から第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、固体材料から少なくとも１つの自立固体層を作製する。なし
公开号:JP2011505684A
申请号:JP2010533064
申请日:2008-10-24
公开日:2011-02-24
发明作者:プフェッファー，クリスティアン；リヒテンシュタイガー，ルーカス
申请人:プレジデント アンド フェロウズ オブ ハーバード カレッジＰｒｅｓｉｄｅｎｔ ａｎｄ Ｆｅｌｌｏｗｓ ｏｆ Ｈａｒｖａｒｄ Ｃｏｌｌｅｇｅ；
IPC主号:H01L21-02

专利说明:

[0001] 本発明は、一般に固体材料層の作製に関し、より特定すれば、マイクロ電子材料などの固体材料の比較的薄い自立層を作製する技法に関する。
関連出願
本出願は、２００７年１１月２日出願のスイス出願第０１７１２／０７号および２００７年１１月３０日出願のスイス出願第０１８５１／０７号に関する３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ａ）〜（ｄ）の下における優先権を主張し、両出願の全体を参照により本明細書に明確に援用する。
連邦政府委託研究に関する声明
本発明は、契約第ＡＲ３６８１９号および契約第ＡＲ０５３１４３号の下で、共にＮＩＨにより支給された政府支援によりなされた。政府は本発明において特定の権利を有する。]
背景技術

[0002] マイクロ電子およびマイクロ加工の広範な用途については、例えば、電子および／または機械システムをその上に製作しようとする出発構造として採用する、マイクロ電子材料の１つまたは複数の自立層が必要とされている。例えば、従来のマイクロ加工法は、マイクロ電子およびマイクロ機械システムをその上に製作する、自立半導体基板またはシリコンウェハーなどのウェハーを１つまたは複数採用している。このようなシリコンウェハーは、例えば、ドーピング均一性および厚さに対する従来の工業規格を満たすように、商業生産されている。]
[0003] シリコンウェハーなどの市販されているマイクロ電子基板の特性は、重要なマイクロ加工用途の要求に益々対応していない。特に、シリコンウェハーなどの従来基板の厚さは、所与のマイクロ加工用途に必要な厚さより実質的に大きく、不必要なウェハー厚さは、マイクロ加工システム全体のコストを増大させるが、何らそれに見合った利益を生まない。例えば、高効率のシリコン太陽電池は、約５０ミクロンのシリコン厚さで作製することができる。しかし、太陽電池を製作するために作製される直径１２．７ｃｍ（５インチ）の従来のシリコンウェハーは、厚さが通常約１８０μｍである。ウェハー材料のこの余分な厚さは、太陽電池の動作に何ら有益ではないが、太陽電池の全マイクロ加工費を左右する。]
[0004] この例が示すように、一般に、重要なマイクロ加工の方法、ならびに太陽電池および光起電力システムなどのシステムの進歩が継続するにつれ、市販シリコンウェハーのような従来の出発材料の経費および制約が、進展するこうした技術の首尾良い実施および費用対効果を決定する上で重要な要因になりつつある。]
[0005] 本発明は、広範囲のマイクロ加工用途において採用できる、自立固体材料層を作製するための高効率で再現性が良く、費用対効果の良い方法を提供する。
本発明が提供する、自立固体層を作製するための一例の方法では、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意し、その利用可能な表面上に、１つのポリマー層を形成する。次いで、固体材料およびポリマー層を、第１の温度から第１の温度より低い第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、固体材料から少なくとも１つの自立固体層を作製する。]
[0006] 本発明が提供する実施形態では、第１の温度は、約３００℃以下の場合もあり、または約室温の場合もある。本発明が提供する更なる実施形態では、第２の温度は、約室温未満の場合もあり、または約−２０℃未満の場合もある。]
[0007] 本発明が提供する、自立固体層を作製するための追加の方法では、特徴的な第１の熱膨張係数を有し、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意し、その利用可能な表面上に、１つのポリマー層を形成する。該ポリマーは、第１の熱膨張係数より少なくとも約５０×１０−６Ｋ−１大きい、第２の熱膨張係数を特徴とする。固体材料およびポリマー層を、第１の温度から第１の温度より低い第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、固体材料から少なくとも１つの自立固体層を作製する。]
[0008] 本発明が提供する、自立固体層を作製するための更なる方法では、２つの当該各表面上での層形成に利用できる２つの反対表面を有する、固体材料を用意し、２つの当該各表面上に、１つのポリマー層を形成する。次いで、固体材料を、該材料中のある深さにおける平面に沿って破断させ、固体材料から少なくとも２つの自立固体層を作製する。]
[0009] 更に、本発明が提供する、自立固体層を作製するための追加の方法では、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意し、その利用可能な表面上に、１つのポリマー層を形成する。次いで、固体材料を、該材料中のある深さにおける平面に沿って破断させ、自立固体層と、その第１の表面に接着してポリマー層とを備える構造体を作製する。次いで、第１の表面に対向する、自立固体層の第２の表面上にポリマー層を形成し、次いで、自立固体層を、その中のある深さにおける平面に沿って破断させ、各々が自立固体層と、その第１の表面に接着してポリマー層とを備える、第１および第２の追加の構造体を作製する。]
[0010] 本発明により提供されるこうした加工技法は、固体材料または作製した自立層の材料損失が、加工中に実質的に全く発生しないので特に有利である。これにより、材料の反復循環および各サイクルによる追加層の作製が可能となり、所望であれば、そのような１層または複数層は、後続サイクルで用いて、更なる層を作製することが可能である。更に、各サイクルは、格別効率的で実質的に自動的であり、殆ど手操作を必要とせず、特注設備または取扱い装置も必要としない。したがって、従来は実現できなかったような本発明の加工によって、多数の比較的薄い自立層を作製することができる。]
[0011] 本発明の他の特徴および利点は、以下の説明および付随する図、ならびに特許請求の範囲から明らかとなろう。]
図面の簡単な説明

[0012] 図１Ａは、ポリマーを伴った出発固体材料を熱加工して、自立固体層を作製するために、本発明により提供される例示的加工プロセスステップの概略的な透視図である。図１Ｂは、ポリマーを伴った出発固体材料を熱加工して、自立固体層を作製するために、本発明により提供される例示的加工プロセスステップの概略的な透視図である。図１Ｃは、ポリマーを伴った出発固体材料を熱加工して、自立固体層を作製するために、本発明により提供される例示的加工プロセスステップの概略的な透視図である。図１Ｄは、ポリマーを伴った出発固体材料を熱加工して、自立固体層を作製するために、本発明により提供される例示的加工プロセスステップの概略的な透視図である。
出発固体材料から本発明に従って作製される、３枚の自立固体層の概略的な透視図である。
図１Ａ〜１Ｄのプロセスに従って作製される２枚の固体層、および図１Ａ〜１Ｄのプロセスの後続サイクルにより同様に作製される４枚の固体層の概略的な透視図である。] 図１Ａ 図１Ｂ 図１Ｃ 図１Ｄ
[0013] 図１Ａを参照すると、出発固体材料１０から自立層を作製するために、本発明により提供される熱加工法を採用することができる。以下に詳細に説明するように、出発固体材料は、基板としての従来のマイクロ電子ウェハー、ディスク、バルク片または適切な他の構成の形態で提供することができる。出発固体材料の幾何学的形状を述べるために本明細書で採用する特定の任意の用語は、一例だけのために教示することを意図しており、限定することを意図してはいない。以下の説明では、出発構造は、特定の形状に関係なく「固体材料」と呼称するが、該材料が、選定した基板、ウェハー、バルクまたは他の形態で提供されているという了解を前提にする。用語「固体」とは、本明細書では、一般に非生物材料を指すことを意図しており、特定の材料組成に限定されない。] 図１Ａ
[0014] 固体材料１０は、露出した第１の面または表面１２、および所望であれば、露出した第２の面１４を備えており、各面は、面上での１つまたは複数の材料層の形成を受け入れるために利用できる。以下に詳細に説明するように、その１層または複数層は、利用可能な１つまたは複数の表面上に層を配置するための堆積、手操作の付着もしくは接着、成長または他の方法により、面上に形成することができる。表面に層を設けるために、特別な形成法は必要ない。露出面は、反対側に平行しているものとして図１Ａに示されているが、このようなことは説明上の都合に過ぎず、以下に詳細に説明するように、本発明には一般に必要ない。] 図１Ａ
[0015] 手短に言うと、一般に第１のプロセスステップでは、図１Ｂに示すように、ポリマー材料の層１６を、固体材料１０の第１面１２上に形成し、所与の用途のために所望であれば、ポリマー材料の層１８も、固体材料１０の第２面１４または他の面上に形成する。ポリマー材料の厚さ、組成および特性は、以下に詳細に説明するように、固体材料から作製しようとする最終的な１つまたは複数の自立層の所望厚さに基づいて選定する。以下に説明するように、一般に、ポリマー材料は、固体材料１０の熱膨張係数と異なる、好ましくはそれより大きい熱膨張係数を特徴とする。] 図１Ｂ
[0016] 図１Ｃを参照すると、１つまたは複数のポリマー層１６、１８が材料１０の１面または複数面上に配置された一実施形態では、その層状構造が、層状構造の局所温度を第１の高温ＴＨから第２の低温ＴＬへ変化させる１つまたは複数の環境に曝すことによる、熱加工を受ける。局所温度が、低温ＴＬに接近し、到達し、および／またはそれ未満に低下すると、材料１０は、該材料とその上の１つまたは複数のポリマー層との著しく異なる熱膨張係数で生じる、材料内の熱誘起機械的応力のために、１つまたは複数のポリマー層１６、１８を含まない材料のある表面から少なくとも１つの内部破断面１９に沿って、自然に破断または分裂する。その破断面は、材料の厚さのある深さにあって、多くの条件について、ポリマー−材料界面に対して実質的に一定の深さに伸展することができる。したがって、破断面は、材料上のポリマー層の範囲まで伸展する。該材料が破断すると、２つ以上の自立層２０、２２が元の材料から形成され、自立層は、低温ＴＬの間、対応する隣接ポリマー層１６、１８にそれぞれ接触している。] 図１Ｃ
[0017] 図１Ｄを参照すると、次のプロセスステップでは、こうして生成した２つ以上の自立層２０、２２は、自立層の局所温度を低温ＴＬから高温ＴＨに対して選定した温度へ戻すように変化させる１つまたは複数の環境に曝すことによる、熱加工を受ける。次いで、生成した自立層２０、２２は、意図する１つまたは複数の用途のために、所望時に用いることができる。例えば、自立層２０は、更なる熱加工のためにポリマー層１６をその上に維持することにより、以下に記載のようにして追加の自立層を作製することができる。このポリマー層は、このような構成が適切であれば、意図した用途のために、その配置のまま維持することもできる。代替として、自立層２２の一方または両方は、意図した用途または他の加工手順で使用するために、そのポリマー層を除去するように加工することができる。] 図１Ｄ
[0018] 本発明の熱加工による一対の自立層２０、２２の作製は、格別必要ではない。他の層構成も、熱加工によって作製することができる。例えば図２を参照すると、低温ＴＬにおける固体材料内の熱誘起機械的応力は、材料の厚さの深さが各々異なる２つの破断面を生成し、３つの自立層２０，２２、２４を生じることができる。この場合、これらのうち２層は、ポリマー層１６、１８の一方に各々隣接しており、材料の中央バルクから形成された第３の層は、隣接ポリマー層を有していない。] 図２
[0019] 図３を参照すると、本発明の熱プロセスの適切な任意のサイクル数を、前のサイクルで作製された薄層に対して繰返し実施することができる。例えば、図１Ｃにおけるような第１の熱プロセスで作製された２つの自立層２０，２２は、各々、後続の熱加工のために、それぞれ２つのポリマー層１６、２６および１８、２８を備えることができる。次いで、第２の熱プロセスによるこの２層２０、２２の破断を実施することにより、４つの自立層３０、３２、３４、３６を作製することができる。これら４層は各々、８つの自立層を作製するために実施される第３の熱プロセスに向けて、同様にポリマー層を備えることができる。この技法を用いて、熱プロセスの３サイクルで８つの自立層を作製することができる。その結果、４００μｍ厚の出発材料、例えば従来の４ｍｍ厚のシリコンウェハーは、加工によって８つの５０μｍ厚自立層を作製することができる。] 図１Ｃ 図３
[0020] 本発明が提供するこの循環式熱処理法は、本発明の重要な利点の１つ、即ち、自立層材料の損失が、熱処理中に実質的に発生しないことを示す。これにより、材料の反復循環、および各熱サイクルによる追加層の作製が可能となり、所望であれば、そのような１層または複数層は、後続サイクルで用いて、更なる層を作製することが可能である。更に、各熱サイクルは、格別効率的で実質的に自動的であり、各熱サイクル中に殆ど手操作を必要とせず、特注設備または取扱い装置も必要としない。したがって、従来は実現できなかったような本発明の熱加工サイクルによって、多数の比較的薄い自立層を作製することができる。]
[0021] 自立層を作製するために、本発明に従って熱加工しようとする固体材料は、一般に、その材料の内部平面に沿って破断を起こすために、機械的応力を熱誘起できる任意の材料である。このような多くの材料は、一群のガラス由来の材料と同様に、比較的脆性である、またはセラミック様もしくはガラス様の特性を有するものとして特徴付けられる。該材料は、単結晶、多結晶もしくは非晶質でもよく、または粒子形態の何らかの組合せを示してもよい。特定の結晶配向は不要であり、したがって、作製しようとする層の所与の用途に最も適した結晶配向を選択することができる。]
[0022] 本発明の熱プロセスが特に良く適合する例示的な固体材料には、半導体材料、例えばＩＩ〜ＶＩ族およびＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料、ならびに電気絶縁性および電気伝導性の材料などのマイクロ電子材料が挙げられる。シリコン、ゲルマニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ダイヤモンド、石英、サファイア、黒鉛、セラミックス、ガラスおよびそのような他の材料が、適合良好な固体材料の例である。該材料は、電気的にドープすることができ、化学組成および電気的または機械的構造が均一または不均一でもよい。しかし、本発明は特定の材料に制限されない。即ち、必要なものは、材料の少なくとも１つの内部平面に沿って破断を起こす、機械的応力の熱誘起能だけである。多くの用途にとって、該材料が、粉砕されずに、材料の全平面範囲に沿った破断に耐えることが好ましいこともある。以下に詳細に説明するように、ポリマー特性も、このプロセスを補助するために選択することができる。]
[0023] 自立層を作製するために選択した材料組成が何であれ、材料の形態は、所与の用途のために選択でき、本発明により制限されることはない。従来のマイクロ電子ウェハーは、従来ウェハーより厚いと本明細書で規定する材料ディスク、または従来ウェハーより薄いもしくは厚いと本明細書で規定する材料基板が使用できるように、使用することができる。基板、ディスクまたはウェハーのチップまたは切片も、使用することができる。本プロセスは、例えばインゴット、ブロックおよびバルク塊を含めた大型の材料バルク片を用いて、実施することができる。]
[0024] 出発材料は、殆ど任意の随意形状で供給することができ、平面平行構造に限定されない、即ち、相互に平行な２つの平坦な反対表面を有する構造に限定されない。平坦な自立層を作製することが所望であれば、出発材料の少なくとも１つの表面が、平坦であって、その上でのポリマー層の接着形成に利用できることで十分である。しかし、本発明によれば、出発材料は、何ら平坦な表面を有する必要がなく、円筒、球形または他の形状を有する表面を備えることができる。自立した湾曲層または貝殻形を、そのような対応して湾曲した材料表面から作製することができる。]
[0025] 出発材料の表面は、平面である必要はなく、マイクロ電子的、マイクロ電気機械的および構造的な素子およびシステムならびに構造配置物を含めた、表面トポロジーまたは表面特徴物を保有することができる。これに関して、出発材料は、１つまたは複数の表面層または表面構造、素子、回路、電気的および／または機械的相互接続、あるいは他の特徴物を備えることができる。出発材料の表面上に設ける特徴物またはトポロジーが何であれ、このようなものは、材料の表面上に設けようとするポリマー層の接着をさほど損ねないことが好ましい。材料表面は、市販のシリコンウェハーのように研磨することができ、またはポリマー層が材料表面に対する相当な接着力を得ることができる限り、相当程度の粗さを示すこともできる。]
[0026] 出発材料の厚さは、作製する自立層の所望の厚さ、およびそうした層の作製で実施する熱サイクルの回数に基づいて選択するのが好ましい。一部の材料および用途の場合、比較的大きな直径の材料形態は、材料の内部平面に沿って破断する際、材料が粉砕されないことを保証するために、それ相応に大きな厚さを有することが好ましいこともある。一般に、本発明は、出発固体材料形態の平面範囲または厚さに何ら制限を付けないが、多くの用途にとって、厚さが少なくとも約１０μｍ、より好ましくは少なくとも約１００μｍの固体構造が有利になり得る。]
[0027] シリコン製光電池またはた太陽電池の作製などの多くの用途には、出発固体材料は、１つまたは複数のシリコンウェハーとして供給することができる。例えば、単結晶シリコンウェハー、例えばチョクラルスキー成長シリコンウェハーで、例えば直径７．６２ｃｍ（３インチ）、直径１２．７ｃｍ（５インチ）または選定した他のサイズで、例えば０．３５ｍｍの厚さまたは他の厚さを有し、ｎ型またはｐ型にドープされたものは、作製したままの状態で使用することができる。このウェハーは、本発明の熱プロセスサイクルの前に、例えば、従来のＲＣＡまたは他の洗浄手順により洗浄でき、これを加工して、例えば、ウェハーの表面上もしくはその近く、またはそのバルク内に、マイクロ電子的および／またはマイクロ構造的な素子および／またはシステムを作製することができる。]
[0028] 固体材料の少なくとも１つの表面上に形成するポリマーは、固体材料の熱膨張係数（ＴＥＣ）とは異なり、多くの用途に対し、好ましくは、室温で固体材料のＴＥＣより大きいＴＥＣを特徴とする。本発明の一実施形態では、該ポリマーは、室温で約５０×１０−６Ｋ−１より大きいＴＥＣを特徴とする。好ましくは、該ポリマーは、室温で約１００×１０−６Ｋ−１より大きいＴＥＣを特徴とし、より好ましくは、該ポリマーは、室温で約２００×１０−６Ｋ−１より大きいＴＥＣを特徴とする。]
[0029] 本発明の別の実施形態では、該ポリマーは、ポリマーのＴＥＣと固体材料のＴＥＣとの差（ΔＴＥＣ）が、熱プロセスの高温ＴＨと低温ＴＬとの間の温度範囲に関連するように選択される。例えば、高温ＴＨと低温ＴＬとの温度差ΔＴが約２００℃の場合、ポリマーと出発固体材料とのΔＴＥＣが少なくとも約５０×１０−６Ｋ−１であることが、本実施形態では好ましくなり得る。したがって、シリコンのＴＥＣが室温で約３×１０−６Ｋ−１であることを前提にすると、約５３×１０−６Ｋ−１より大きいＴＥＣを有するポリマーが、本実施形態では好ましい。ΔＴが約２００℃の場合、ポリマーと出発固体材料とのΔＴＥＣが少なくとも約１００×１０−６Ｋ−１であることが、より好ましくなり得るものであり、ΔＴＥＣが少なくとも約２００×１０−６Ｋ−１であることが、多くの用途にとって更により好ましくなり得る。本発明の他の実施形態では、熱加工の温度範囲は、所与のΔＴＥＣのために制御され、そのため、特定のΔＴＥＣは、以下に更に説明するように、ポリマーと固体材料との間に必要とされない。]
[0030] 該ポリマーは、固体材料の表面に相当程度に接着する能力を特徴とする。固体材料とポリマーとの良好な接着は、一般に、熱プロセスの高温ＴＨと低温ＴＬとの間の全温度範囲ΔＴに対するのが好ましい。該ポリマーは、熱プロセスの高温ＴＨと低温ＴＬとの間の温度範囲ΔＴに亘って、ポリマーの破断、粉砕および剥離を防止するのに十分な弾性を更に特徴とする。したがって、該ポリマーは、熱プロセスの低温ＴＬにおいて熱誘起機械的応力に耐える一方、温度が変化したとき、および固体材料が破断したときに、固体材料への十分な接着を維持するのに十分に強い。]
[0031] したがって、該ポリマーは、層状構造全体が、破断中に熱応力下で変形したときでさえ、固体材料との機械的結合を維持し、同時にポリマーと固体材料とのΔＴＥＣによる内部歪みに適応するのに十分である、固体材料との接着を特徴とする。例示的な一実施形態では、該ポリマーは、より低温では収縮するが、機械的応力がより低温で誘起され、固体材料が破断したときに、機械的強度および固体材料への接着を維持するように、温度が低下するにつれて内部が剛直になる。言い換えれば、該ポリマーは、冷却中に「硬く」なり、加熱中に「柔らかく」なるが、その間中、固体材料への良好な接着を維持することができる。こうした挙動的性質を有する幾つかのポリマーは、例えば、十分な弾性または柔軟性、および熱誘起機械的応力に適応するのに十分な接着性を有するエラストマーとして、特徴付けることができる。]
[0032] 架橋したポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのポリマーは、本発明の熱プロセスに格別良く適合している。ＰＤＭＳ分子は、シロキサン結合のために極めて柔軟なポリマー主鎖または連鎖を特徴とする。このような柔軟連鎖は、分子量が高い場合に緩やかに絡み合う結果、連鎖の架橋によって更に増加する、異常なほど高度の粘弾性を通常有するＰＤＭＳを生じる。架橋ＰＤＭＳは、ゴムと同様に弾性固体のように作用し、非常に低い温度までこうした性質を維持する。架橋ＰＤＭＳは、−１２０℃の非常に低いガラス転移温度を更に特徴としており、したがって脆化せずに相当程度まで冷却することができる。]
[0033] ＰＤＭＳのこうした特性は、本発明の熱プロセスの温度範囲ΔＴに亘って機能するポリマーにとって、低温で比較的脆い固体材料の破断を可能にする一方で、固体の破断過程中に、それ自体は破断することもなく、固体材料への接着も維持するために、一般に好ましい性質を表している。したがって、該ポリマーは、一般に、その高温より低く、しかもその低温におけるポリマーの粉砕または破断を制止するために、実質的に低いガラス転移温度を特徴とする。]
[0034] ＰＤＭＳは、約３００×１０−６Ｋ−１のＴＥＣを特徴とする。この極端に高いＴＥＣは、シリコンとのΔＴＥＣを約２９７×１０−６Ｋ−１にする。このように大きなＴＥＣの差により、極端に広い温度範囲を必要とせず、そのため高効率で費用効果の良い、シリコン出発材料用の有効な熱プロセスが可能となる。ＰＤＭＳは、適切な任意の形態または構造で供給でき、例えば、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．製のＳｙｌｇａｒｄ １８４として商業的に得ることができる。本発明は、ＰＤＭＳの特定の出発形態または配合を必要としない。]
[0035] ＰＤＭＳなどのポリマーのように挙動する任意の材料を、本発明による適用ポリマー層として採用することができる。例えば、十分な弾性、柔軟性および機械的強度を備え得る、熱硬化性ポリマー、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、エラストマー材料、ゴム、エポキシ、プラスチックまたは他の材料などのポリマーを採用することができる。選定した材料が、こうした必要特性を与え、同時に固体材料に対する機械的結合を維持するのに十分な接着性も与える限り、このような材料を採用することができる。明確にするために、本明細書における説明では、用語「ポリマー」とは、先ほど述べたような材料を破断するための熱加工を可能にする、ＰＤＭＳのようなポリマー品質を与えることのできる任意の材料を指すために使用される。所望であれば、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などの接着剤、ポリマー自体、例えばＰＤＭＳ自体、または選定した他の材料を用いて、固体材料に対する選定ポリマーの接着性を高め、またはポリマーを固体材料に接着させることができる。]
[0036] 固体材料に適用するポリマーの厚さは、部分的には、作製しようとする自立層の所望の厚さに基づいて好ましく選択される。多くの材料系の場合、ポリマー層の寸法および／または調節性が、出発固体材料から破断される自立層の厚さを決定する。したがって、一連の熱サイクルを実施する場合、作製しようとする自立層に望ましい厚さに基づいて、異なるポリマー厚さを各サイクルに用いることができる。ポリマー厚さは、熱プロセスの温度範囲に亘るポリマーの柔軟性および強度にも基づいて、好ましく選択される。]
[0037] ＰＤＭＳポリマーの場合、少なくとも約０．０１ｍｍの厚さが、多くの用途のために採用でき、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍの厚さがより好ましく、約０．３ｍｍ〜約３ｍｍの厚さが、多くの用途のためにより好ましい。例えば、約１ｍｍの厚さは、それ相応の自立層の厚さを得ることが望ましい場合、好ましくなり得る。しかし、本発明は、特定のポリマー厚さに制限されない。出発固体材料の２表面にポリマーを適用しようとする場合、ポリマー厚さは、各表面について同じでもよく、または各表面層は、異なる厚さをもってもよい。固体材料が比較的柔軟で容易に曲がる多くの用途では、固体材料を破断させる前に、層状構造両端面間の機械的応力の均衡を維持し、その構造の曲がりを防止するために、図１Ｂのように、該材料の２つの反対表面上にポリマー層を形成することが好ましくなり得る。] 図１Ｂ
[0038] 所望であれば、異なるポリマーおよび他の材料の複合体層を出発固体材料に適用することができる。均一または不均一を問わず、材料層は、様々な堆積法または他の技法により順次形成することができる。ポリマー材料は、内部構造、例えば積層体を特徴とすることができ、構造化表面、例えばナノスケールフィブリル構造をもつことができ、ポリマーの厚さを通して供給される１つまたは複数の化学種および／または粒子を含むことができる。特異のポリマー組成または構成は、不要である。必要なことは、１つまたは複数の適用層が、自立層の所望厚さに相応した厚さを与え、接着と、熱プロセスの温度範囲に亘って誘起される機械的応力に耐え得る材料特性とを与え、固体出発材料の破断を起こすために、固体材料に対して十分に大きいΔＴＥＣを特徴とすることが全てである。]
[0039] 該ポリマーは、堆積、成長、手操作の塗布もしくは接着または他の手順で固体材料上に供給するのであろうと、ポリマーの材料特性を保持するようにその材料上に調製し、配置することが好ましい。例えば、固体材料上にＰＤＭＳ層を形成する場合、第１ステップでは、硬化剤と基本材料との約１：１０の混合比を用いて、液体ＰＤＭＳ混合物を生成することができる。次いで、液体ＰＤＭＳ混合物を、好ましくは、例えば約１時間、真空中で脱気し、その後選定した出発材料に適用する。脱気混合物を速やかに用いなければ、出発材料に適用する前に、混合物が硬化することになろう。したがって、混合物は、混合してから５時間以内に出発材料に適用することが好ましい。]
[0040] ＰＤＭＳおよび他のポリマー材料は、周囲湿度に敏感であり、周囲から水分を吸収し得る。したがって、ＰＤＭＳまたは他のポリマー材料を形成し、固体材料に適用し、熱加工を加える、環境の周囲湿度を制御することが好ましい。周囲湿度が約７０％を超えると、ＰＤＭＳまたは他のポリマー材料の性質は、本発明の熱プロセスのためにポリマーが操作不能になるのに十分な程度まで、劣化する恐れがある。したがって、ポリマーを出発材料に適用する周囲の湿度は、制御することが好ましい。]
[0041] 該ポリマーは、都合よい任意の方法で出発材料上に形成することができる。例えば、液体ポリマー混合物は、出発材料の１つまたは複数の表面に対して、注ぎ込み、スピンコーティング、蒸着、スプレー、スクリーン印刷、塗装またはその他で適用することができる。代替として、出発材料を、液体ポリマー混合物中にディップ、浸漬または他の方法で液潜りさせることができる。あるいは、該ポリマーは、出発材料上に、ガス状態から、例えばＣＶＤまたはプラズマ処理により形成させ、また、液状ポリマーの場合のように該材料上に固化させることができる。該ポリマーは、更に、その材料に対する固体層として、例えば、グルー付け、プラズマボンディング、または他の方法で出発材料に固体ポリマー層を接着することにより、直接適用することもできる。１つまたは複数のポリマー層と固体材料との接着は、化学結合、ファンデルワールス力、または他の強い接着力により実現することができる。]
[0042] 本発明によるポリマーの使用は、特に有利である。例えば、一般にポリマーは、その上に適用する固体材料に害が少なく、一般に、シリコンなどの固体材料を汚染しない。ＰＤＭＳなどのポリマーは、例えばＳｉ、Ｇｅ、石英、サファイアおよびガラスを含む広範囲の固体材料に容易に接着する。固体材料に対するポリマー層の適用は、一般に比較的効率的であり、相対的に低コストのポリマーを用いれば費用効果的であり、極端な温度を必要とせず、多様な技法によって実現することができる。多くのポリマーは、対象とするシリコンなどの固体材料より有意に高いＴＥＣを特徴としており、したがって、固体材料の高効率な破断により、適度な温度で該材料から自立層を作製することを可能にする。]
[0043] 更に、適用ポリマー層の厚さは、選定した破断特性を実現するために、良好に制御し、容易に調整することができる。それに加え、ポリマーは、一般に、固体材料から容易に除去することができ、該材料上に残る任意の痕跡量のポリマーは、一般に比較的害が少ない。その結果、ポリマー材料は、例えば、シリコンなどの固体材料を汚染する恐れがあり、相対的に低いＴＥＣを特徴とし、高価であり、厚さを容易に調整できない金属とは対照的に、本発明に従えば好ましい。]
[0044] その上にポリマー材料を適用する出発材料表面の縁部は、被覆せずに維持することが好ましい。出発材料の縁部、例えばシリコンウェハーの周縁部が、ポリマーの適用中に被覆される場合、縁部箇所で材料を除去するために、縁部を加工することが好ましい。このような加工は、該材料の厚さのある深さにある平面に沿って破断が発現できるように、機械的応力が、熱加工中に該材料の縁部で発現することを可能にするために、必要となる。]
[0045] 出発材料上でのポリマーの適用または形成の間、またはその後で、必要であれば、ポリマーを硬化させる。例えば、液体ＰＤＭＳ混合物を出発材料の１つまたは複数の表面に適用した後、ＰＤＭＳは、例えばホットプレート上で、例えば、約２００℃の温度で十分な硬化期間の間、例えば３０分間、層状構造を配置することにより硬化される。熱硬化は、一般に、例えば約１０℃〜約１００℃の間の温度で実施することができる。任意の硬化法、例えば、ホットプレート上、赤外（ＩＲ）、紫外（ＵＶ）もしくは他の放射線への曝露、化学的硬化、または他の技法を採用することができる。硬化後、出発材料の縁部まで伸展したポリマー材料は全て、例えば、手操作切断、エッチングまたは他の技法により除去し、出発材料の１つまたは複数の表面だけがポリマー層で被覆され、そうした表面の全縁部は被覆されていないようにすることが好ましい。]
[0046] 硬化後、所与の用途のために所望であれば、室温を超える追加の熱加工を実施することができる。例えば、材料破断加工ステップの前に１つまたは複数の高温プロセスステップを実施することにより、残留引張応力を層状構造に加えることができる。このような残留引張応力は、熱プロセス中に出発材料を破断させる能力を高めることができる。ポリマー硬化は、それ自体、ある程度の残留引張応力を層状構造に加える高温ステップである。追加の高温曝露は、必要なく、全ての用途にとって望ましいとは限らない。]
[0047] 例えば図１Ｂのように、出発固体材料の選定した１つまたは複数の表面上にポリマーを供給して、任意選択の何らかの追加熱ステップを実施した後、構造体における局所温度を２つの温度間に、例えば、第１の高温ＴＨから第２の低温ＴＬまでに調整するために、熱加工を始める。その高温および低温は、固体材料およびポリマーの特性、ならびに破断機構の動力学に基づいて選定するのが好ましい。] 図１Ｂ
[0048] 熱加工の高温ＴＨは、一実施形態では、約３００℃より低く、多くのポリマーにとって、ポリマーの性質が不可逆的に変化する温度より低い。この高温は、ポリマーの融点または分解温度を超えることは決してない。より好ましくは、高温ＴＨは、約１００℃より低くなり得る。]
[0049] 更なる実施形態では、任意選択の何らかの熱ステップ後、層状構造は、場合により実質的に室温にすることができ、構造体における局所温度を第１の高温ＴＨから第２の低温ＴＬまで調整するために、熱加工を始める。熱加工は、高温硬化または他の高温ステップから冷却した直後に始めることができる。この実施形態では、高温ＴＨは、一般に約室温であり、即ち、約２０℃±約１０℃の周囲温度である。この実施形態では、層状構造が室温に冷却された後、構造体の局所温度を直ちに制御することにより、構造体の低温ＴＬへの冷却を継続することができる。]
[0050] 本発明によれば、層状構造を冷却する低温ＴＬは、室温より低い。更なる実施形態では、低温ＴＬは、約−２０℃以下である。言い換えれば、層状構造の局所温度は、約−２０℃以下の低温ＴＬへ下げられる。低温ＴＬは、実質的に−２０℃未満に下げることができ、多くの用途にとって、その温度を約−１００℃未満へ下げることが好ましくなり得、またはその温度を液体窒素の沸点−１９５℃以下へ、またはそれより低い、例えば、液体ヘリウムの沸点−２６５℃まで下げることがより好ましくなり得る。一般に、その低温は、好ましくはポリマーのガラス転移温度より低い。]
[0051] 固体材料の破断誘起を目的とした、室温未満への本発明によるこの低温冷却には、多くの重要な利点がある。例えば、この低温加工は、より高い温度であれば、例えば化学種の固体材料中への拡散のために起こると思われる、固体材料の汚染の可能性を劇的に低下させる。低温加工は、更に、固体材料と、固体材料に設けたポリマー層または他の材料との化学的または他の反応を劇的に低下させる。低いプロセス温度は、高温であれば融解、分解または他の劣化を起こすと思われる、繊細な固体の材料および構造に対する害も遥かに少ない。それに加え、室温付近で固体材料上にポリマーを形成する、固体材料およびポリマー層の多くの構成では、層状構造に室温で応力が本質的にないが、高温加工であれば、室温で高い応力が掛かり、そのため層状構造は、室温で破断または粉砕される恐れがあろう。室温未満への本発明のこの低温冷却は、室温で層状構造の本質的に応力がない状態を保持し、それにより室温で該構造の機械的一体性を保持する。]
[0052] 一般に、層状構造を冷却する低温は、温度を下げたときに予想される、固体材料およびポリマーの挙動に基づいて選定するのが好ましい。上記に説明した通り、温度を下げたときに、より脆い固体材料と、より柔軟な１つまたは複数のポリマー層とのＴＥＣの差、即ちΔＴＥＣのために、機械的応力が固体層の中に誘起される。ある特徴的な低温では、固体材料内の誘起応力は、固体材料を、１つまたは複数の内部破断平面に沿って自然に破断または分割させるのに十分である。このような自然破断が起こる温度は、固体材料とポリマーとの間のΔＴＥＣの関数として変化する。]
[0053] 大きなΔＴＥＣを特徴とする層状構造の場合、自然破断を起こすのに必要な冷却は、小さなΔＴＥＣを特徴とする層状構造に必要な冷却より少ない。したがって、その低温は、所与の固体材料と選定したポリマーとのΔＴＥＣに基づき、固体材料上にポリマーを形成する温度に基づき、更にポリマー硬化または他の高温ステップなどのそれ以前の任意の熱加工に基づいて選定するのが好ましい。例えば、出発材料としてシリコンウェハーおよびポリマーとしてＰＤＭＳを前提にすれば、ＰＤＭＳのガラス転移温度約−１２０℃より低い低温は、多くの条件について、シリコンウェハーの自然破断を起こすのに十分になり得るし、液体窒素温度の沸点−１９５℃付近であれば、その温度は、シリコンウェハーの自然破断を起こすのに申し分ない。]
[0054] 層状構造は、高温から直接、選定した低温ＴＬに曝すことができる、または温度を室温からその低温へ下降させることもできる。本発明は、特定の冷却速度を必要としない。構造体の局所温度が、固体材料の自然破断を起こすのに十分低くなった後、即ち、低温ＴＬに近い、等しい、またはそれより低くなった後、層状構造は、破断が起こるまで約その温度に維持される。]
[0055] 低温への破断に必要な曝露期間は、とりわけ、層状構造中の材料の量、構造体の表面積、層状構造中の材料の熱容量、構造体中の材料の熱伝導性、および室温と、破断が起こると予想される温度との温度差に依存し得る。本発明は、低温への特定の曝露期間を必要としない。必要なことは、固体材料の自然破断を起こすのに十分な低温への曝露期間だけである。]
[0056] 層状構造は、図１Ｃにおけるように１種または複数の環境に曝すことにより、層状構造に局所的な選定した低温ＴＬを生じる。その環境は、固体、液体または気体の手段により冷却を生じることができ、受動的または能動的冷却構成によって、生み出すことができる。液体冷却は、例えば、液体ヘリウム、液体窒素もしくは他の液化ガス、氷水もしくは他の氷冷液体混合物、エタノールなどの冷却アルコール、または低温流体などの他の冷却液により、可能にすることができる。層状構造を、冷却液中にディップもしくは浸漬することができ、層状構造の１つもしくは複数の表面全体を流れるように、冷却液を誘導することもでき、または冷却液を層状構造の近傍に、例えば貯液槽から供給することもできる。] 図１Ｃ
[0057] 本発明は、特定の冷却機構を必要としないが、層状構造中に熱誘起機械的応力を生じるために、層状構造と冷却環境との間で十分な熱接触をさせることが、是非必要である。例えば、層状構造は、冷却液に直接曝す必要はなく、代わりに中間的な層または構造を介して、冷却液と熱接触させる。このようなことの一実施形態では、例えば金属または他の熱良導体で形成されたボートまたは他のホルダーを、層状構造を保持するために用意し、ボートの外側を冷却液と熱接触させ、ボートの内側を層状構造と熱接触させる。この構成は、取扱いに特に敏感である繊細な層状構造のために、また例えば、冷却液中での泡形成による、層状構造の表面における温度の不均一性を低下させるために、好ましくなり得る。このような他の構成は、液体または他の冷媒から層状構造へ冷却を伝達する一方で、冷媒から層状構造を物理的には隔離するが、熱的には隔離しない、中間的な材料または構造を配設するために、本発明により想定されている。]
[0058] 上記に説明した通り、冷却環境は、受動的または能動的手段により生じることができる。例えば、熱電冷却器などの能動素子、例えばペルチエ素子は、層状構造上に直接、または冷却された後で層状構造を冷却するための媒体と共に、採用することができる。他の熱電冷却器および能動ヒートシンク、ならびに冷蔵、対流または他のシステムなどの能動冷却システムは、層状構造を直接冷却するために、または層状構造を曝す環境を冷却するために採用することができる。したがって、能動冷却された貯液槽または他のシステムも採用することができる。]
[0059] ガス冷却環境も、本発明に従って採用することができる。例えば、冷却窒素または他のガスを層状構造の全体または周囲に吹き付けて、その構造を冷却することができる。層状構造は、更に、ドライアイスまたは他の固体などの冷却固体と接触させて、またはその近傍に配置することができる。この場合、中間的構造体が、層状構造を支持し、その構造を冷却固体から物理的には隔離するが、熱的には隔離しないために用いることができる。本発明によれば更に、液体、気体および固体の冷却手段を併用して、層状構造に直接適用される、または層状構造の近傍に存在する、選定した冷却環境を生じることができる。]
[0060] 冷却環境が、上記のようにして固体材料を破断するのに十分な機械的応力を誘起した後、生成した２つ以上の自立層は、冷却環境から回収され、好ましくは加温されて、熱加工サイクルを完了する。図３に示すように、破断の完了後、多くの用途のために、２つ以上の自立層３０、３２、３４、３６は、その層の１つの面上にポリマー層を含むことになろう。加温プロセスは、好ましくは、ポリマー層が自立層上の所定の場所に維持されたまま実施される。] 図３
[0061] 固体材料−ポリマーの多くの組合せ、例えば、ＰＤＭＳ層を上に載せたシリコン自立層の場合、自立層を、好ましくは約１０℃より高く、熱プロセスを始めた高温より低い温度に、または、多くの用途のために、層同士の機械的一体性を保持するために、約室温に加温することが好ましい。各層が熱プロセスの低応力開始温度に戻らない場合、層平面に垂直な層破壊が起こり得る。シリコンおよびＰＤＭＳなどの多くの材料の組合せに対して、熱プロセスの熱誘起応力は、図１Ｃに示すような破断が進むにつれて、構造体が曲がる傾向を起こし、その傾向は、特に薄い固体層に当てはまる。固体材料の脆性が、この構造的曲がりと相俟って、自立層の分断を起こすことができる。したがって、自立層が完全に生成した後、冷却環境からそうした層を取り出し、好ましくは、熱プロセスのおよそ低応力開始温度ＴＨまで加温することが好ましい。] 図１Ｃ
[0062] 本発明では、特定の加温プロセスは必要とされない。自立層は、受動的加温のために単に周囲条件に曝すことができ、または例えば、ホットプレート、加温オーブンもしくは他の加温環境により、少なくとも室温まで自立層の温度を上げ戻すために、能動的に加温することもできる。ポリマー層を室温より高い温度で形成または硬化する適用の場合には、自立層の応力低下を最大とするために、ポリマーの形成または硬化のその温度まで自立層を加温することが、好ましくなり得る。例えば、２００℃の硬化ステップを例えばＰＤＭＳポリマーに対して実施する実施形態の場合、自立構造を少なくとも室温まで、より好ましくは約２００℃の硬化温度まで加温することが好ましい。この場合、ポリマー層をホットプレート上で下向きにして、自立層をホットプレート上に配置することが、好ましくなり得る。特定の温度ランプ速度は本発明では必要としない。]
[0063] 採用する加温手順が何であれ、自立層の何らかの巻き上がりが戻り、加温が進むにつれてその層が平坦化するように、自立層を加温した際に、平坦な支持体に注意深く押し付けることが好ましい。湾曲した固体材料から作製される自立層の場合、元の湾曲固体材料と同じ曲率の支持体に、自立層を押し付けることが好ましい。自立層に加える軽い圧力は、手操作でも、機械的な要素または構成を介してもよく、あるいは磁力もしくは静電気力などの他の手段、真空、または他の適切な手段によってもよい。自立層の温度が室温またはそれより高いある温度に戻った後、自立層は、非応力形状、例えば平坦形状を容易に維持する傾向を示す。]
[0064] 本発明によれば、直前に上記した熱誘起破断プロセスは、ポリマー層の固体材料に対する接着の間におけるポリマー層の収縮によって、部分的に可能になることが認識されている。したがって、固体材料の破断は、本発明によれば、熱プロセス以外のプロセスであって、ポリマー層の収縮中におけるポリマー層の固体層への接着のために固体材料の破断を起こすように、ポリマー層の収縮を起こすプロセスによって起こすことができる。例えば、ポリマー層の収縮を起こす、ポリマー層の反応性種との化学反応は、固体材料の破断を起こすために用いることができる。固体材料およびポリマー層を、ポリマーの収縮を起こす選定ｐＨなどの選定状態を有する環境に曝すことも、更に用いることができる。このような技法によれば、ポリマーおよび固体材料の熱加工が、必ずしも固体材料を破断する必要はない。]
[0065] 本発明に従って熱または他の加工が完了し、その結果自立層が作製されると、所望であれば、ポリマー層を自立層から除去することができる。ポリマー層を除去するために、従来の液体またはガスエッチング剤を用いることができる。例えば、自立シリコン層上のＰＤＭＳ層の場合、シリコン層は、フッ化水素酸、またはＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）とテトラヒドロフラン中のフッ化テトラブチルアンモニウム１．０Ｍ溶液（ＴＢＡＦ／ＴＨＦ）との体積比３：１混合物などの液体エッチング剤または他の適切なエッチング剤の中に浸漬することができる。プラズマエッチングおよび他のガスによる除去加工も、用いることができる。他の適切な除去プロセスには、例えば灰化およびすすぎ洗いが挙げられる。本発明では、特定のポリマー除去プロセスは必要とされない。]
[0066] ポリマー層は、後続の加工のために、自立層上の所定位置に維持することができる。図１Ｄおよび図３に関して上記に説明したように、ポリマー層は、本発明に従って追加の自立層を作製する追加の熱加工サイクルのために、１つまたは複数の自立層２０、２２の上に維持することができる。] 図１Ｄ 図３
[0067] 本発明の熱加工が完了すると、出発固体材料の機械的、電気的および構造的性質を保有する２つ以上の自立固体層が生成する。一般に、出発固体材料の低温破断プロセス中に、その材料内部の破断平面は、固体材料とポリマー層との界面に実質的に平行に、界面の平面範囲に亘って発現する。その結果、生成した自立層は、その範囲に亘る実質的に均一な厚さを特徴とする。破断の動力学に応じて、自立層は、普通約１０μｍ以下の表面粗さを有する比較的平滑な表面を更に特徴とする。したがって、本発明の熱プロセスは、品質の優れた自立固体層を作製することが示される。]
[0068] 厚さ約０．３７ｍｍで抵抗率が約１０Ω・ｃｍである、＜１００＞に配向し、片面を研磨した７．６２ｃｍ（３インチ）市販シリコンウェハーを、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｅｎｓｅ，Ｉｎｃ．により提供された状態のまま使用した。Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．製のＳｙｌｇａｒｄ１８４の名で提供されたＰＤＭＳの液体混合物は、硬化剤および基礎材料を１：１０の比で混合し、１時間真空下で脱気した。次いで直ちに、その混合物をシリコンウェハーの研磨前面上に注ぎ、約１ｍｍの実質的に均一な厚さの層となるように平衡化させ、約１００℃の温度で約３０分間ホットプレート上で硬化させた。次いで、その混合物をシリコンウェハーの背面上に注ぎ、約１ｍｍの実質的に均一な厚さの層となるように平衡化させ、約１００℃の温度で約３０分間ホットプレート上で硬化させた。両面上にＰＤＭＳの同じ厚さを再現性良く実現するために、ＰＤＭＳ混合物の体積を供給前に測定した。]
[0069] 硬化後、シリコン−ＰＤＭＳ複合層状構造を室温まで冷却した。ウェハーの外周に沿って突出したＰＤＭＳは全て、ウェハーの縁部にＰＤＭＳが完全になくなるように鋭いナイフで除いた。次いで、層状構造を液体窒素浴中に完全に浸漬した。およそ１０秒の浸漬後、シリコンウェハーは、各層にＰＤＭＳ被膜を含む２枚の自立シリコン層に破断した。その自立層を浴から取り出し、平坦な表面上に置いて室温に戻すように加温した。加温中、その層に手で軽く圧力を加え、層を平坦にした。室温になり、実質的に平坦になった後、ＰＤＭＳ層を自立シリコン層から除いた。]
[0070] ＰＤＭＳ層を除いた状態で、自立層の厚さをカリパスで測定した。各自立層の生成厚さは、およそ０．１８ｍｍと測定され、層全体の厚さの変動率は２０％未満であった。表面粗さは、自立層の表面積の大部分に亘って１０μｍ未満と測定された。自立層は、単純な拡散プロセス、ならびに層の前面および背面上への蒸着法コンタクトメタライゼーションを用いて、標準的な太陽電池に加工した。層の太陽電池動作を確認し、破断プロセスが、シリコン層の電子的性質を実質的に劣化させていないことを示した。]
[0071] この実施例は、見事に単純で、費用効率が良く、迅速な手順により、本発明の熱加工が、製造原料である出発材料の特性を維持した、高品質な自立固体層を生成することを示している。このプロセスは、適当なサイズの任意の出発構造体に規模を合わせることができ、平面または平坦構造に制限されない。出発材料および生成材料の汚染および／または劣化は、抑制されており、高温処理は全く必要ない。]
[0072] 多くの用途、特に、集光型光起電力用途および多接合太陽電池を含む太陽電池および起電力用途、それと共に、フレキシブル電子回路および基板用途、ＬＥＤ製造などの固体照明用途、ならびにパワーエレクトロニクス回路を含む集積回路製造などの用途のために、自立半導体層を作製する本発明の熱加工は、本質的に材料浪費がない優れた製品を提供する。該熱加工は、例えば、電子もしくはマイクロ電子システム、薄膜シリコンウェハーまたは太陽電池もしくは光電池の製造、あるいは他の用途のための現行マイクロ加工手順に統合することができる。該プロセスは、極めて広範囲の出発材料の組成、厚さ、幾何学的形状および他のパラメーターを受け入れ易く、サイズおよびサイクル反復の規模を調整することができる。したがって、多くの用途のために、本発明の熱加工は、自立固体層を製造する優れた技法を提供する。]
実施例

[0073] 当業者が、当技術分野に対する本貢献の趣旨および範囲から逸脱せずに、上記の実施形態に様々な変更および追加をなし得ることは、当然ながら認識されている。したがって、主題に関する特許請求の範囲、および本発明の範囲内に公正に入る全てのその等価物に、本明細書で与えることが求められている保護が拡張されると見なすべきであることを理解されたい。]

权利要求:

請求項1
自立固体層を作製する方法であって、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意するステップと、該利用可能な表面上に、ポリマー層を形成するステップと、該固体材料およびポリマー層を、約室温である第１の温度から第１の温度より低い第２の温度への局所的温度変化に曝して、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、該固体材料から少なくとも１つの自立固体層を作製するステップとを含む方法。
請求項2
自立層を作製した後で、該自立層を、約第２の温度から約第１の温度より約１０℃超低い温度への局所的温度変化に曝すステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項3
固体材料を用意するステップが、基板、ウェハー、チップおよびディスクからなる群から選択される固体構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項4
固体材料を用意するステップが、半導体材料のインゴットを用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項5
固体材料を用意するステップが、単結晶シリコンおよび多結晶シリコンからなる群から選択される材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項6
固体材料を用意するステップが、単結晶ゲルマニウムおよび多結晶ゲルマニウムからなる群から選択される材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項7
固体材料を用意するステップが、その上でのポリマー層形成に各々利用でき、相互に実質的に平行な２つの表面を有する構造体を用意することを含み、ポリマー層を形成するステップが、該利用可能な２つの表面上にポリマー層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項8
固体材料を用意するステップが、湾曲表面を有する構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項9
固体材料を用意するステップが、円筒形状を有する構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項10
固体材料を用意するステップが、トポロジー的表面特徴物を含んだ、その上での層形成に利用できる表面を有する構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項11
固体材料を用意するステップが、マイクロ電子素子を含んだ構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項12
固体材料を用意するステップが、マイクロ電子材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項13
固体材料を用意するステップが、半導体材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項14
固体材料を用意するステップが、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項15
固体材料を用意するステップが、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項16
固体材料を用意するステップが、石英、ダイヤモンドおよびサファイアからなる群から選択される材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項17
固体材料を用意するステップが、黒鉛および炭化ケイ素からなる群から選択される材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項18
固体材料を用意するステップが、一群のガラス材料由来の材料を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項19
固体材料を用意するステップが、約１０ミクロンを超える厚さの固体構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項20
固体材料を用意するステップが、約１００ミクロンを超える厚さの固体構造体を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項21
前記表面上に形成されたポリマー層が、少なくとも約０．０１ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
請求項22
前記表面上に形成されたポリマー層が、局所温度の変化に曝されている間の固体材料への接着を特徴とする、請求項１に記載の方法。
請求項23
前記表面上に形成されたポリマー層が、エラストマー材料として特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
請求項24
前記表面上に形成されたポリマー層が、固体材料を破断させる際に、ポリマー層の破断または粉砕を防止する降伏強さを特徴とする、請求項１に記載の方法。
請求項25
前記表面上に形成されたポリマー層が、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項１に記載の方法。
請求項26
前記表面上に形成されたポリマー層が、第１の温度より低く、固体材料を破断させる際に、ポリマーの破断を制止するのに十分に低いガラス転移温度を特徴とする、請求項１に記載の方法。
請求項27
利用可能な表面上にポリマー層を形成するステップが、その上にポリマー層を形成する材料表面層の縁部を、ポリマー層に被覆されていないようにする状態を与えることを含む、請求項１に記載の方法。
請求項28
前記表面上に形成されたポリマー層が、固体材料に特徴的な熱膨張係数より、少なくとも約５０×１０−６Ｋ−１大きい熱膨張係数を特徴とする、請求項１に記載の方法。
請求項29
利用可能な表面上にポリマー層を形成するステップが、液体状態で前記表面にポリマーを適用し、該液体ポリマーを硬化させて、実質的に固体のポリマー層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
請求項30
ポリマー層の形成後、室温より高い温度で該ポリマー層を硬化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項31
ポリマー層の形成後、約１０℃〜約１００℃の間の温度で該ポリマー層を硬化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項32
ポリマー層の形成後、赤外線で該ポリマー層を硬化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項33
ポリマー層の形成後、紫外線で該ポリマー層を硬化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項34
ポリマー層の形成後、該固体材料およびポリマー層を、第１の温度から、第１の温度より高い第３の温度への局所的温度変化に曝し、次いで該固体材料およびポリマー層を、第３の温度から、第１の温度に戻した後、第２の温度にする局所的温度変化に曝すステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項35
固体材料およびポリマー層を曝す第２の温度が、約−２０℃以下である、請求項１に記載の方法。
請求項36
固体材料およびポリマー層を曝す第２の温度が、約−１００℃以下である、請求項１に記載の方法。
請求項37
固体材料およびポリマー層を曝す第２の温度が、液体窒素の約沸点以下である、請求項１に記載の方法。
請求項38
固体材料およびポリマー層を曝す第２の温度が、液体ヘリウムの約沸点以下である、請求項１に記載の方法。
請求項39
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、能動冷却素子による局所温度の能動冷却を含む、請求項１に記載の方法。
請求項40
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、局所温度の受動冷却を含む、請求項１に記載の方法。
請求項41
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、冷却液への曝露を含む、請求項１に記載の方法。
請求項42
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、冷却ガスへの曝露を含む、請求項１に記載の方法。
請求項43
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、冷却固体への曝露を含む、請求項１に記載の方法。
請求項44
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、冷却液中への浸漬を含む、請求項１に記載の方法。
請求項45
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、液体窒素中への浸漬を含む、請求項１に記載の方法。
請求項46
固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝すステップが、冷却環境と固体材料およびポリマー層との間に配置した中間構造体の冷却を含む、請求項１に記載の方法。
請求項47
固体材料が、その上でのポリマー層形成に利用できる複数の表面を含み、固体材料およびポリマー層を局所的温度変化に曝して、固体材料から複数の自立層を作製する、請求項１に記載の方法。
請求項48
作製した少なくとも１つの自立層からポリマー層を除去するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項49
作製した自立層の表面上にポリマー層を維持し、該自立層およびポリマー層を、第１の温度から第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、自立層中のある深さで自立層を破断させ、少なくとも１つの追加の自立層を作製するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項50
作製した自立層の表面上にポリマー層を維持し、作製した自立層の利用可能な表面上にポリマー層を形成し、該自立層およびポリマー層を、第１の温度から第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、自立層中のある深さで自立層を破断させ、少なくとも１つの追加の自立層を作製するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項51
自立固体層を作製する方法であって、特徴的な第１の熱膨張係数を有し、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する固体材料を用意するステップと、該利用可能な表面上に、第１の熱膨張係数より少なくとも約５０×１０−６Ｋ−１大きい、第２の熱膨張係数を特徴とするポリマー層を形成するステップと、該固体材料およびポリマー層を、第１の温度から第１の温度より低い第２の温度への局所的温度変化に曝して、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、少なくとも１つの自立固体層を固体材料から作製するステップとを含む方法。
請求項52
前記ポリマーが、第１の熱膨張係数より少なくとも約１００×１０−６Ｋ−１大きい、第２の熱膨張係数を特徴とする、請求項５１に記載の方法。
請求項53
前記ポリマーが、第１の熱膨張係数より少なくとも約２００×１０−６Ｋ−１大きい、第２の熱膨張係数を特徴とする、請求項５１に記載の方法。
請求項54
固体材料を用意するステップが、シリコンを含んだ構造体を用意することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項55
固体材料を用意するステップが、その上でのポリマー層形成に各々利用できる少なくとも２つの表面を有する構造体を用意することを含み、ポリマー層を形成するステップが、その利用可能な表面の少なくとも２つの上にポリマー層を形成することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項56
固体材料を用意するステップが、マイクロ電子材料を用意することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項57
固体材料を用意するステップが、半導体材料を用意することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項58
固体材料を用意するステップが、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を用意することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項59
固体材料を用意するステップが、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を用意することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項60
固体材料を用意するステップが、約１０ミクロンを超える厚さの固体構造体を用意することを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項61
前記表面上に形成されたポリマー層が、局所温度の変化に曝されている間の固体材料への接着を特徴とする、請求項５１に記載の方法。
請求項62
前記表面上に形成されたポリマー層が、エラストマー材料として特徴付けられる、請求項５１に記載の方法。
請求項63
前記表面上に形成されたポリマー層が、固体材料を破断させる際に、ポリマー層の破断または粉砕を防止する降伏強さを特徴とする、請求項５１に記載の方法。
請求項64
前記表面上に形成されたポリマー層が、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項５１に記載の方法。
請求項65
自立固体層を作製する方法であって、２つの表面各々上での層形成に利用できる、２つの対向表面を有する固体材料を用意するステップと、２つの表面各々上に、ポリマー層を形成するステップと、固体材料を、該材料中のある深さにおける平面に沿って破断させ、少なくとも２つの自立固体層を固体材料から作製するステップとを含む方法。
請求項66
固体材料を破断させるステップが、固体材料およびポリマー層を、第１の温度から第１の温度より低い第２の温度への局所的温度変化に曝すことを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項67
作製した自立層の表面上にポリマー層を維持し、該自立層およびポリマー層を、第１の温度から第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、自立層中のある深さで自立層を破断させ、少なくとも１つの追加の自立層を作製するステップを更に含む、請求項６６に記載の方法。
請求項68
作製した自立層の表面上にポリマー層を維持し、作製した自立層の利用可能な追加の表面上にポリマー層を形成し、該自立層およびポリマー層を、第１の温度から第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、自立層中のある深さで自立層を破断させ、少なくとも１つの追加の自立層を作製するステップを更に含む、請求項６６に記載の方法。
請求項69
作製した自立層の表面上にポリマー層を維持し、作製した自立層の利用可能な表面上にポリマー層を形成し、該自立層およびポリマー層を、局所的温度変化に曝すステップを、順次反復して複数の自立層を作製する、請求項６８に記載の方法。
請求項70
固体材料を用意するステップが、シリコンを含んだ構造体を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項71
２つの対向表面を有する固体材料を用意するステップが、基板、ウェハー、チップおよびディスクからなる群から選択される構造体を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項72
固体材料を用意するステップが、マイクロ電子材料を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項73
固体材料を用意するステップが、半導体材料を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項74
固体材料を用意するステップが、ＩＩ〜ＶＩ族半導体材料を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項75
固体材料を用意するステップが、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項76
固体材料を用意するステップが、約１０ミクロンより大きい厚さの固体構造体を用意することを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項77
前記表面上に形成されたポリマー層が、局所温度の変化に曝されている間の固体材料への接着を特徴とする、請求項６６に記載の方法。
請求項78
前記表面上に形成されたポリマー層が、エラストマー材料として特徴付けられる、請求項６５に記載の方法。
請求項79
前記表面上に形成されたポリマー層が、固体材料を破断させる際に、ポリマー層の破断または粉砕を防止する降伏強さを特徴とする、請求項６５に記載の方法。
請求項80
前記表面上に形成されたポリマー層が、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項６５に記載の方法。
請求項81
自立固体層を作製する方法であって、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意するステップと、利用可能なその表面上にポリマー層を形成するステップであって、該ポリマーが、約−２０℃未満の温度でポリマー層の破断または粉砕を防止する降伏強さを特徴とし、約−２０℃未満の温度でその利用可能な表面への接着の維持を特徴とするステップと、該固体材料およびポリマー層を、第１の温度から約−２０℃以下の第２の温度への局所的温度変化に曝して、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、少なくとも１つの自立固体層を固体材料から作製するステップとを含む方法。
請求項82
固体材料を用意するステップが、その上でのポリマー層形成に各々利用できる少なくとも２つの表面を有する構造体を用意することを含み、ポリマー層を形成するステップが、その利用可能な表面の少なくとも２つの上にポリマー層を形成することを含む、請求項８１に記載の方法。
請求項83
固体材料を用意するステップが、基板、ウェハー、チップおよびディスクからなる群から選択される構造体を用意することを含む、請求項８１に記載の方法。
請求項84
固体材料を用意するステップが、シリコンを含んだ構造体を用意することを含む、請求項８１に記載の方法。
請求項85
前記表面上に形成されたポリマー層が、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項８１に記載の方法。
請求項86
自立固体層を作製する方法であって、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意するステップと、利用可能なその表面上にポリマー層を形成するステップと、該固体材料を、該材料中のある深さにおける平面に沿って破断させ、自立固体層およびその第１の表面に接着したポリマー層を備える構造体を作製するステップと、該自立固体層の第１の表面に対向する第２の表面上にポリマー層を形成するステップと、該自立固体層を、その中のある深さにおける平面に沿って破断させ、各々が自立固体層およびその第１の表面に接着したポリマー層を備える、第１および第２の追加の構造体を作製するステップとを含む方法。
請求項87
自立固体層を作製する方法であって、その上での層形成に利用できる少なくとも１つの表面を有する、固体材料を用意するステップと、利用可能なその表面上にポリマー層を形成するステップと、該固体材料およびポリマー層を、約３００℃以下の第１の温度から約室温未満の第２の温度への局所的温度変化に曝すことにより、該材料中のある深さにおける平面に沿って固体材料を破断させ、少なくとも１つの自立固体層を固体材料から作製するステップとを含む方法。
請求項88
第１の温度が約１００℃以下である、請求項８７に記載の方法。
請求項89
固体材料を用意するステップが、シリコンを含んだ構造体を用意することを含む、請求項８７に記載の方法。
請求項90
前記表面上に形成されたポリマー層が、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項８７に記載の方法。
請求項91
前記表面上に形成されたポリマー層が、固体材料に特徴的な熱膨張係数より、少なくとも約５０×１０−６Ｋ−１大きい熱膨張係数を特徴とする、請求項８７に記載の方法。
請求項92
前記表面上に形成されたポリマー層が、第１の温度より低く、固体材料を破断させる際に、ポリマーの破断を制止するのに十分に低いガラス転移温度を特徴とする、請求項８７に記載の方法。
請求項93
固体材料およびポリマー層を曝す第２の温度が、約−２０℃以下である、請求項８７に記載の方法。
請求項94
固体材料を用意するステップが、基板、ウェハー、チップおよびディスクからなる群から選択される構造体を用意することを含む、請求項８７に記載の方法。
請求項95
前記表面上に形成されたポリマー層が、局所温度の変化に曝されている間の固体材料への接着を特徴とする、請求項８７に記載の方法。
請求項96
固体材料を用意するステップが、その上でのポリマー層形成に各々利用できる少なくとも２つの表面を有する構造体を用意することを含み、ポリマー層を形成するステップが、その利用可能な表面の少なくとも２つの上にポリマー層を形成することを含む、請求項８７に記載の方法。