Procedimiento para producir capas independientes delgadas de materiales en estado sólido con superficies estructuradas.

Procedimiento de impresión que comprende las etapas siguientes:

proporcionar un material en estado sólido (2) que presenta por lo menos una superficie expuesta (1a, 1b); aplicar una capa auxiliar (3a, 3b) a la superficie expuesta (1a, 1b) para formar una estructura compuesta; someter la estructura compuesta a unas condiciones que inducen un patrón de esfuerzo (6) en la capa auxiliar (3a, 3b) y en el material en estado sólido (2), facilitando así la fractura del material en estado sólido (2) a lo largo sustancialmente de un plano a una profundidad en el mismo; y extraer la capa auxiliar (3a, 3b) y, con la misma, una capa del material en estado sólido que termina en la profundidad de fractura, una superficie expuesta (4) de la capa extraída (5) del material en estado sólido (2) que presenta una topología superficial (7a, 7b) que corresponde al patrón de esfuerzo (6) .

Procedimiento para producir capas independientes delgadas de materiales en estado sólido con superficies estructuradas.

Campo de la invención La presente invención se refiere a la producción de capas de material en estado sólido, y en particular, a técnicas para producir capas independientes, relativamente delgadas de materiales en estado sólido tal como materiales microelectrónicos. La presente invención también se refiere a técnicas para crear estructuras geométricas en las superficies de estas capas.

Descripción de la técnica relacionada Típicamente, la fabricación de dispositivos microelectrónicos incluye dos grupos distintos de etapas de procesamiento: primero, se corta una capa independiente relativamente delgada de un bloque más grande de material en estado sólido (por ejemplo, un material semiconductor tal como silicio) , y segundo, se usan una variedad de técnicas y etapas adicionales de procesamiento para formar estructuras en esta capa independiente, en particular en su superficie. Frecuentemente estas estructuras de superficie no comprenden ningún material adicional sino más bien se crean sólo al formar el material en la superficie de la capa independiente, por ejemplo, por grabado.

Como un ejemplo, en el primer grupo de etapas de procesamiento, se puede cortar una oblea delgada a partir de un lingote de silicio monocristalino (por ejemplo, usando una sierra de alambre) . La superficie de oblea entonces se procesa adicionalmente (por ejemplo, por pulido) para obtener una superficie lisa. En un segundo grupo de etapas de procesamiento se forman entonces estructuras geométricas tal como zanjas, pirámides, mesetas, agujas, etcétera, en la superficie de la oblea. Esto se logra a través de una secuencia (usualmente complicada y costosa) de etapas, tal como depósitos de una máscara, modelado de la máscara (por ejemplo, por fotolitografía) , modelado de la superficie subyacente de la oblea, tal como por grabado anisotrópico seco (por ejemplo, RIE) o húmedo (por ejemplo, KOH) o isotrópico (por ejemplo, basado en HF) , y finalmente remoción de la máscara. Se pueden usar estructuras formadas en la superficie de una oblea, por ejemplo, para mejorar la eficiencia de conversión de luz a electricidad de celdas solares, por ejemplo, al crear estructuras aleatorias de pirámide invertida en la superficie de la oblea, lo que mejora la dispersión de luz en el área activa de la celda solar. En este caso simple, no se puede requerir una máscara, y puede ser suficiente una etapa individual de grabado (por ejemplo, por grabado húmedo con NaOH) . En un ejemplo más complejo, se pueden crear estructuras tal como “cristales fotónicos” en la superficie de la oblea, facilitando la modificación de las características electroópticas del material de oblea (en particular, la banda prohibida) . Puesto que es necesario controlar la disposición local de estructuras de forma precisa en estas aplicaciones, típicamente las técnicas están mucho más comprendidas en términos de requisitos de procesamiento (por ejemplo, máscara de alta calidad y grabado de RIE) de esta manera muy costosas. Otras aplicaciones incluyen sistemas microelectromecánicos donde la creación de estructuras (por ejemplo, zanjas, mesetas) en la superficie de una oblea representa frecuentemente una etapa (o etapas) temprana en la producción de dispositivos tridimensionales complicados tal como sensores y accionadores.

Una desventaja general de los procedimientos actuales para producir capas independientes, delgadas de materiales en estado sólido con superficies estructuradas es el gran número de etapas de procesamiento que requieren típicamente, tanto para producir la capa independiente misma, y luego subsiguientemente para estructurar su superficie. Esto hace a estas técnicas costosas y lentas, particularmente donde la disposición local de las estructuras de superficie se debe controlar, obligando al uso de una máscara y procesamiento litográfico. Un problema adicional es el consumo del material en estado sólido; por ejemplo, cuando se cortan obleas delgadas de un lingote usando sierras de alambre, se pierde aproximadamente 50 % del material de lingote llamado “pérdida kerf” (serrín, etc.) . Adicionalmente, se pierde material cuando se pulen las obleas, y también subsiguientemente en las etapas de formación de la estructura tal como el grabado. Puesto que frecuentemente el material en estado sólido es costoso, esto se añade significativamente a los costes de producción. Adicionalmente, aunque para la mayoría de las aplicaciones es suficiente una capa muy delgada de material en estado sólido (en realidad frecuentemente es más favorable en términos de, por ejemplo, propiedades electrónicas u ópticas) para producir los dispositivos deseados, la mayoría de los planteamientos actuales no puede producir de forma económica estas capas independientes delgadas de material en estado sólido.

Como técnica anterior es conocido a partir del artículo de Applied Physics A, Material Science & Processing, vol. 89, nº 1, “Stress-induced large-area lift-off of cr y stalline Si films” que es depositada una capa con un coeficiente de expansión térmica desadaptado con respecto a un sustrato. Al enfriar, la contracción diferencial induce un gran campo de esfuerzo que es liberado mediante la iniciación y la propagación de una fisura paralela a la superficie.

Recientemente, se han descrito procedimientos para producir capas independientes, delgadas de material en estado sólido con pérdida kerf mínima. Sin embargo, permanece la necesidad de crear estructuras localmente definibles en la superficie de estas capas independientes, delgadas de una manera controlable que sea más simple y más económica que los procedimientos actuales.

Breve sumario de la invención De acuerdo con las formas de realización de la presente invención, se mejora la producción de capas independientes, delgadas de materiales en estado sólido con superficies estructuradas al combinar la producción de las capas con la producción anteriormente separada de las estructuras de superficie. Las formas de realización de la invención proporcionan un proceso individual, simple y barato que circunscribe la mayoría de las desventajas identificadas anteriormente. Las formas de realización de la invención pueden producir capas independientes, delgadas de materiales en estado sólido con espesor localmente controlable y patrones localmente definibles de estructuras de superficie.

En varias formas de realización, se producen capas independientes, delgadas de materiales en estado sólido con patrones localmente controlables de estructuras de superficie al inducir patrones de esfuerzo, tridimensionales, localmente controlables en el material en estado sólido. Por ejemplo, se pueden establecer esfuerzos localmente controlados en una capa auxiliar que se adhiere al material enestado sólido. La capa auxiliar se puede unir a una pieza de trabajo de material en estado sólido a través de una adhesión suficientemente fuerte. La capa auxiliar se prepara de una manera que permite que los esfuerzos localmente definidos de diferentes magnitudes se induzcan en las ubicaciones deseadas en esta capa. También incluye esfuerzos localmente definidos en la pieza de trabajo de adhesión.

Por ejemplo, la capa auxiliar puede consistir de un patrón de áreas algunas con un coeficiente relativamente alto de expansión térmica (CTE) y algunas (o el resto) con un CTE relativamente bajo. Si la capa auxiliar se adhiere a una pieza de trabajo cuyo CTE está más próximo al “CTE bajo” que el “CTE alto” de la capa auxiliar, y si la estructura compuesta (capa auxiliar - pieza de trabajo) se somete a un cambio de temperatura, entonces en aquellas áreas de la capa auxiliar que tienen CTE alto se inducirán mayores esfuerzos que en aquellas áreas con un CTE menor. También, esto inducirá patrones de esfuerzo, localmente definidos, directamente relacionados, en la pieza de trabajo de adhesión del material en estado sólido.

Por ejemplo, la capa auxiliar puede comprender un polímero caracterizado por un CTE (el “CTE alto”) que es mayor de aproximadamente 50*10-6 K-1 a temperatura ambiente. De manera preferente, el polímero se caracteriza por un CTE que es mayor que aproximadamente 100*10-6 K-1 a temperatura ambiente, y de manera más preferente, el polímero se caracteriza por un CTE que es mayor que aproximadamente 200*10-6 K-1 a temperatura ambiente. El polímero se puede modelar con áreas “huecas”, es decir, áreas donde el material de polímero se extrae de forma local. Si el material se extrae a través del espesor completo de la capa auxiliar (un “orificio”) entonces no se induce... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de impresión que comprende las etapas siguientes: proporcionar un material en estado sólido (2) que presenta por lo menos una superficie expuesta (1a, 1b) ; aplicar una capa auxiliar (3a, 3b) a la superficie expuesta (1a, 1b) para formar una estructura compuesta; someter la estructura compuesta a unas condiciones que inducen un patrón de esfuerzo (6) en la capa auxiliar (3a, 3b) y en el material en estado sólido (2) , facilitando así la fractura del material en estado sólido (2) a lo largo sustancialmente de un plano a una profundidad en el mismo; y extraer la capa auxiliar (3a, 3b) y, con la misma, una capa del material en estado sólido que termina en la profundidad de fractura, una superficie expuesta (4) de la capa extraída (5) del material en estado sólido (2) que presenta una topología superficial (7a, 7b) que corresponde al patrón de esfuerzo (6) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que por lo menos una de las propiedades del material de la capa auxiliar (3a, 3b) varía según un patrón (6) que depende de la posición en el interior de la capa auxiliar.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la capa auxiliar (3a, 3b) es una estructura compuesta, o el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar que varía según un patrón (6) afecta la magnitud, y/o la orientación de los esfuerzos locales inducidos cuando la capa auxiliar (3a, 3b) es sometida a unas condiciones inductoras de esfuerzo, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar que varía según un patrón afecta la dinámica de la propagación de fisuración durante la fractura del material en estado sólido, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar (3a, 3b) que varía según un patrón afecta la extensión a la que el volumen del material de la capa auxiliar cambia cuando se somete a las condiciones inductoras de esfuerzo, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar (3a, 3b) que varía según un patrón es el coeficiente de la expansión térmica (CTE) , o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar (3a, 3b) que varía según un patrón afecta la extensión a la que el material de la capa auxiliar (3a, 3b) se hincha cuando absorbe un solvente, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar que varía según patrón es un módulo elástico, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar (3a, 3b) que varía según un patrón es el espesor local de la capa auxiliar, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar (3a, 3b) que varía según un patrón es modificada localmente mediante por lo menos un dispositivo activo, en particular un accionador piezoeléctrico, que está incorporado localmente en la capa auxiliar, o en el que dicha por lo menos una de las propiedades de material de la capa auxiliar (3a, 3b) que varía según un patrón varía asimismo en el tiempo durante la ejecución del procedimiento.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo varían según un patrón que depende de la posición dentro de la capa auxiliar (3a, 3b) .

5. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 o 4, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo afectan la magnitud y/o la orientación de los esfuerzos locales inducidos cuando la capa auxiliar (3a, 3b) es sometida a las condiciones inductoras de esfuerzo, o en el que las condiciones inductoras de esfuerzo afectan la dinámica de la propagación de fisuración durante la fractura de dicho material en estado sólido (2) , o en el que las condiciones inductoras de esfuerzo realizan cambios del volumen del material de la capa auxiliar (3a, 3b) .

6. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo que varían según un patrón son unas temperaturas diferentes que son mantenidas en posiciones diferentes dentro de la capa auxiliar (3a, 3b) o en el que las condiciones inductoras de esfuerzo que varían según un patrón son unas concentraciones químicas diferentes que son mantenidas en posiciones diferentes dentro de la capa auxiliar (3a, 3b) .

7. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 o 4, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo son unas fuerzas mecánicas externas que son aplicadas sobre la capa auxiliar (3a, 3b) , o en el que las condiciones inductoras de esfuerzo afectan un módulo elástico de la capa auxiliar (3a, 3b) , o en el que las condiciones inductoras de esfuerzo comprenden la absorción de un solvente mediante por lo menos parte de la capa auxiliar (3a, 3b) .

8. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo que varían según un patrón afectan por lo menos un dispositivo activo, en particular un accionador piezoeléctrico, que está embebido localmente capa auxiliar (3a, 3b) .

9. Procedimiento según la reivindicación 1, 2 o 4, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo varían en el tiempo durante la ejecución del procedimiento, que comprenden particularmente por lo menos un cambio en la temperatura impuesta a la capa auxiliar (3a, 3b) , o que comprenden enfriar la capa auxiliar (3a, 3b) por debajo de la temperatura ambiente.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fractura del material en estado sólido (2) es inducida a una profundidad en el material en estado sólido y sustancialmente a lo largo de un plano que es sustancialmente paralelo a la interfaz entre la capa auxiliar (3a, 3b) y el material en estado sólido (2) .

11. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa de extracción revela una superficie expuesta nueva (4) del material en estado sólido (2) que presenta una topología superficial complementaria a la topología superficial de la capa extraída del material en estado sólido .

12. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha por lo menos una superficie expuesta del material en estado sólido presenta una topología superficial preexistente, en particular en el que dicha por lo menos una superficie expuesta del material en estado sólido comprende unos dispositivos microelectrónicos y/o micromecánicos preexistentes.

13. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además las etapas siguientes: aplicar una nueva capa auxiliar (3a, 3b) a la superficie expuesta de la capa extraída del material en estado sólido para formar una nueva estructura compuesta que consiste en la nueva capa auxiliar, la capa extraída de material en estado sólido , y la capa auxiliar previamente aplicada; someter la nueva estructura compuesta a condiciones que inducen un nuevo patrón de esfuerzo en la nueva capa auxiliar, en el material en estado sólido y en la capa auxiliar previamente aplicada, facilitando así la fractura de la capa extraída del material en estado sólido sustancialmente a lo largo de un plano a una nueva profundidad en la misma; y extraer la nueva capa auxiliar y con la misma, una nueva capa del material en estado sólido que termina en la nueva profundidad de fractura, una superficie expuesta de la nueva capa extraída de material en estado sólido que presenta una topología superficial que corresponde al nuevo patrón de esfuerzo.

14. Procedimiento según la reivindicación 11, que comprende además las etapas que consisten en: aplicar una nueva capa auxiliar (3a, 3b) a la nueva superficie expuesta al material en estado sólido para formar una nueva estructura compuesta; someter la nueva estructura compuesta a condiciones que inducen un nuevo patrón de esfuerzo en la nueva capa auxiliar y en el material en estado sólido, facilitando así la fractura del material en estado sólido sustancialmente a lo largo de un plano a una nueva profundidad en la misma; y extraer la nueva capa auxiliar y con esta, una nueva capa de material en estado sólido que termina en la nueva profundidad de fractura, una superficie expuesta de la nueva capa extraída del material en estado sólido que presenta una topología superficial que corresponde al nuevo patrón de esfuerzo.

15. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende las etapas que consisten en: proporcionar un material en estado sólido (2) que presenta al menos dos superficies expuestas (1a, 1b) ; aplicar una pluralidad de capas auxiliares (3a, 3b) a una pluralidad de dichas por lo menos dos superficies expuestas (1a, 1b) , con una capa auxiliar separada (3a, 3b) para cada una de estas superficies expuestas (1a, 1b) , para formar una estructura compuesta; someter la estructura compuesta a condiciones que inducen un patrón de esfuerzo (6) en la pluralidad de capas auxiliares (1a, 1b) y en el material en estado sólido (2) , facilitando así la fractura del material en estado sólido, para cada capa auxiliar (3a, 3b) , sustancialmente a lo largo de un plano a una profundidad en el material en estado sólido; y extraer la pluralidad de capas auxiliares, y con cada capa auxiliar, una capa del material en estado sólido que termina en la profundidad de fractura, para cada capa auxiliar, una superficie expuesta de la capa extraída del material en estado sólido que presenta una topología superficial que corresponde al patrón de esfuerzo (6) de esa capa auxiliar (3a, 3b) , en particular en la que por lo menos dos de los planos de fractura coinciden sustancialmente, y la topología superficial de las capas extraídas correspondientes del material en estado sólido corresponde sustancialmente a las superposiciones de los patrones de esfuerzo de las capas auxiliares implicadas.

16. Procedimiento según la reivindicación 1 que comprende las etapas que consisten en: proporcionar un material en estado sólido (2) que presenta dos superficies expuestas sustancialmente paralelas y opuestas (1a, 1b) ; aplicar una capa auxiliar (3a, 3b) a cada una de las superficies expuestas para formar una estructura compuesta; someter la estructura compuesta a condiciones que inducen un patrón de esfuerzo (6) en las dos capas auxiliares (3a, 3b) y en el material en estado sólido, facilitando así la fractura del material en estado sólido sustancialmente a lo largo de un plano a una profundidad entre las dos superficies expuestas opuestas; y extraer las dos capas auxiliares (3a, 3b) y extraer con la primera capa auxiliar, una primera capa del material en estado sólido que termina en la profundidad de fractura, una superficie expuesta de la primera capa extraída de material en estado sólido que presenta una topología superficial que corresponde a una superposición del patrón de esfuerzo (6) de las dos capas auxiliares (3a, 3b) , y extraer con la segunda capa auxiliar (3a, 3b) , una segunda capa del material en estado sólido que es el complemento de la primera capa extraída del material en estado sólido con respecto al material en estado sólido inicialmente proporcionado (2) , una superficie expuesta de la segunda capa extraída de material en estado sólido que presenta una topología superficial complementaria a la topología superficial de la primera capa extraída de material en estado sólido, en particular en el que proporcionar un material en estado sólido comprende proporcionar una estructura seleccionada de entre el grupo que consiste en un sustrato, una oblea, un chip, y un disco, en particular en el que proporcionar un material en estado sólido comprende proporcionar una estructura que comprende dispositivos microelectrónicos y/o micromecánicos preexistentes.

17. Procedimiento según la reivindicación 13, 15 o 16, en el que por lo menos una de las propiedades del material de por lo menos una de las capa auxiliares (3a, 3b) varía de acuerdo a cualquiera o la totalidad de los procedimientos según las reivindicaciones 2, 3, en particular en el que por lo menos una de las propiedades del material de por lo menos una de las capas auxiliares (3a, 3b) varía de acuerdo a un patrón (6) que es diferente del patrón de variación de la misma propiedad del material en por lo menos otra de las capa auxiliares, en particular según un patrón que es

sustancialmente el complemento del patrón de variación de la misma propiedad del material en por lo menos otra de las capas auxiliares.

18. Procedimiento según la reivindicación 13, 15 o 16, en el que las condiciones inductoras de esfuerzo varían de acuerdo con cualquiera o la totalidad de los procedimientos según las reivindicaciones 4, 5, 6, 7, 8, 9, en particular en el que para por lo menos una de las capas auxiliares (3a, 3b) las condiciones inductoras de esfuerzo varían de acuerdo con un patrón que es diferente al patrón de variación de las condiciones inductoras de esfuerzo en por lo menos otra de las capas auxiliares, en particular en el que las condiciones inductoras de esfuerzo varían de acuerdo con un patrón que es sustancialmente el complemento de un patrón de variación de las condiciones inductoras de esfuerzo en por lo menos otra de las capas auxiliares.

19. Procedimiento según la reivindicación 1, 15 o 16, en el que proporcionar un material en estado sólido (2) comprende proporcionar una estructura que comprende un material semiconductor , en particular una estructura que comprende silicio, germanio, zafiro, carburo de silicio, arseniuro de galio, nitruro de galio, óxido de cinc y/o cuarzo.

20. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la aplicación de una o varias capas auxiliares (3a, 3b) comprende aplicar por lo menos una capa auxiliar que comprende un polímero, en particular que comprende un polidiorganolsiloxano, o que comprende polidimetilsiloxano.

21. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la aplicación de una o varias capas auxiliares (3a, 3b) comprende aplicar por lo menos una capa auxiliar que comprende un metal, en particular que comprende aluminio.

22. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la aplicación de una o varias capas auxiliares (3a, 3b) comprende aplicar por lo menos una capa auxiliar que comprende una estructura compuesta que comprende un polímero y un no polímero y/o en particular que comprende estructuras de uno o más materiales inorgánicos embebidos en una matriz que comprende polidimetilsiloxano.

23. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la aplicación de una o varias capas auxiliares (3a, 3b) comprende aplicar por lo menos una capa auxiliar caracterizada porque presenta un coeficiente de expansión térmica (CTE) que es diferente del CTE del material en estado sólido proporcionado por al menos 10*10-6 K-1.

24. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la fractura del material en estado sólido (2) se facilita además al proporcionar una o más zonas con rugosidad de fractura relativamente menor en el material en estado sólido antes de someter la estructura compuesta a condiciones que inducen esfuerzo o mientras se somete la estructura compuesta a condiciones inductoras de esfuerzo.

25. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que tras extraer la capa auxiliar (3a, 3b) y, con ésta, una capa del material en estado sólido, la capa auxiliar se extrae de la capa extraída del material en estado sólido.

26. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la topología superficial producida corresponde sustancialmente a la topología de la superficie para la cual el factor KII de intensidad de esfuerzo vertical es cero dentro de la estructura compuesta.

27. Procedimiento según la reivindicación 1 o 15, en el que por lo menos una superficie expuesta a la cual se aplica una capa auxiliar (3a, 3b) presenta una curvatura.

28. Procedimiento según la reivindicación 1, 15, o 16, en el que la topología superficial producida presenta sustancialmente simetría especular, o comprende patrones sustancialmente periódicos, en particular patrones periódicos con períodos espaciales inferiores a 10 micrómetros.

29. Procedimiento según la reivindicación 12 o 16 o 13, en el que el patrón de esfuerzo se induce de manera que se minimiza el efecto que la topología superficial preexistente presenta sobre la topología superficial de la superficie expuesta de la capa extraída, en particular de manera que es minimizado el efecto que los dispositivos microelectrónicos y/o micromecánicos preexistentes presentan sobre la topología superficial de la superficie expuesta de la capa extraída, o en particular de manera que el efecto que la topología superficial de la superficie expuesta de la capa extraída presenta sobre la topología superficial de la capa expuesta de la nueva capa extraída es minimizado.