CN102148139B - 改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，很好的释放晶格失配应力和热失配应力。本发明将GaN外延片加热，在200～900℃下，使用无损激光剥离技术在低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的能量阈值下进行剥离，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，由此达到释放GaN外延片残余应力的目的。使用加热的情况下进行激光预剥离的方法，可以更有效更大程度上的释放残余应力，并减小损伤。
Description
技术领域
本发明涉及激光剥离技术领域，具体涉及一种在加热被剥离物质情况下进行激光准剥离消除在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体参与应力，并减少激光剥离损伤的方法。
背景技术
以GaN以及InGaN、AlGaN为主的Ⅲ/Ⅴ氮化物是近年来备受关注的半导体材料，是半导体照明中发光二极管的核心组成部份，其1.9～6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等，等特性，使其成为激光器，发光二极管等等光电子器件的最优选材料。
然而，由于GaN（氮化镓）本身生长技术的限制，现今的大面积GaN材料大多生长在蓝宝石衬底上。虽然蓝宝石衬底上生长的GaN质量很高，应用也最广，可是由于蓝宝石的不导电及较差的导热特性，极大的限制了GaN（第三代半导体材料）基半导体器件的发展。为了回避这一劣势，蓝宝石生长GaN基器件后，将蓝宝石去除，并更换高导热、高导电的Si，Cu等衬底的方法被发明了。在蓝宝石去除的过程中，主要应用的方法就是激光剥离技术。
激光剥离技术就是使用能量小于蓝宝石带隙，但大于GaN带隙的激光光源，透过蓝宝石衬底辐照蓝宝石～氮化镓连接处的GaN层，通过此处的GaN吸收激光能量产生高温时，此处的GaN分解为金属镓和氮气，从而实现GaN和蓝宝石衬底分离的方法。
激光剥离技术的基本原理就是利用GaN和蓝宝石禁带宽度的差异，局域性的使蓝宝石/GaN界面处的GaN吸光分解，相变为低熔点的镓和氮气，实现GaN基外延层和蓝宝石衬底的分离。
入射的短波长脉冲激光透过高禁带宽度的蓝宝石衬底照射在蓝宝石/GaN界面处。在此GaN的禁带宽度（3.4eV）低于光子能量，GaN很强烈的吸收这些光，并将其转化为热，使得GaN发生热分解，如附图1所示。所以激光剥离得到GaN薄膜的过程实际是激光辐照加热GaN的热分解过程。
蓝宝石衬底生长GaN的残余应力问题：（残余应力的由来，残余应力的危害），以GaN以及InGaN、AlGaN为主的Ⅲ/Ⅴ氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9～6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特性，使其成为激光器，发光二极管等等光电子器件的最优选材料。
表1、GaN等宽禁带半导体材料和蓝宝石材料晶格常数
通过上述表1所示，由于GaN本身生长技术的限制，现今的大面积GaN材料大多生长在蓝宝石衬底上。虽然蓝宝石衬底上生长的GaN质量很高，应用也非常广泛，可是，由于蓝宝石衬底和GaN晶体是异质材料，两者的晶格常数以及热膨胀系数存在很大不同。
从表中我们可以看到，GaN和蓝宝石衬底之间的晶格常数失配度超过14%，热失配度相差一倍多，这样大的晶格失配度以及热胀差别必然会引起在蓝宝石衬底上生长的GaN外延片的残存应力问题。
晶格失配会使得GaN在生长中引入晶格失配应力，我们可以这样理解晶格失配应力，由于蓝宝石的晶格常数大于GaN晶体，因此，在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体其晶格会随着蓝宝石衬底的晶格拉伸，如附图2所示。
这样就在GaN晶体中产生了张应力从而积聚了势能。晶格失配应力可以由公式（1）、（2）来描述：
晶格失配参数fm，而al是GaN外延层的晶格常数，asub是蓝宝石衬底的晶格常数，
和
是在x、y平面内的GaN外延片的由于晶格失配的应变状态。
然而根据生长平衡理论，晶格失配会引起失配位错，当经合生长厚度超过临界厚度hc时，失配应力完会以失配位错的形式大量释放掉。Akasaki 和Amano曾经测量过InGaN/GaN和AlGaN/GaN的临界厚度，测量结果显示对于InGaN/GaN其临界厚度大约在400nm而对于AlGaN/GaN大约在300～700nm。
除晶格失配应力外，另一个重要的残存应力是热失配应力，热失配应力是由于GaN晶体需要在1000摄氏度的高温下生长，生长完毕后又需要降低到室温取出而产生的。从表1中，蓝宝石衬底由于比GaN晶体热胀系数高近一倍，因此，在1000度高温生长时，蓝宝石衬底晶格会比GaN晶格膨胀的更大，同样的道理，生长完毕下降到室温时，蓝宝石衬底晶格收缩的比例也会远大于GaN晶体，由于蓝宝石晶体与GaN晶体的紧密联结而使生长完毕降温后GaN外延片残余很大的热失配压应力。
热失配应力可以用下面的公式（2-4）、（2-5）来计算：
（2-5）
热失配参数
，
为外延层的热膨胀系数，
为衬底的热膨胀系数，T2是结束时的温度，T1是起始时的温度，对于GaN外延生长来说，GaN的热应力积聚是从1000度的生长温度开始到恢复到室温所积攒的热应力。
因此，蓝宝石衬底生长的GaN外延片的残存应力主要由两部分组成，在临界厚度之前主要是晶格失配应力为主导，而在超过临界厚度后，热失配应力是晶体残存的主要应力。这与国际上的文献报道是一致的，a、b、c、d是四个厚度逐渐增加的样品，从图的拉曼谱峰我们可以清楚的看到，样品应力随着样品厚度增加有一个从张应变到压应变的转变过程，其转变点大约在750nm左右，这恰好和前人得到的临界厚度值相仿，转变之前残存应力主要来自晶格失配应力贡献，而转变之后应力主要来自热失配应力贡献。而从图中我们也可以看到，在GaN外延片厚度超过750nm时，其面内残存应力主要是压应力，这也和我们利用热失配公式计算的结果相一致。
GaN外延片积聚的残余应力，对于GaN器件性能有着非常明显的影响。比如（薄膜）漏电，位错，点缺陷等。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种有效改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，使用激光准剥离的方法可以很好的释放晶格失配应力和热失配应力，当我们将GaN和蓝宝石的连接界面适用激光准剥离的方法击打为弱连接或网状连接时，有效地减轻了两者之间晶格的相互作用，使远离GaN与蓝宝石界面的GaN晶体得到了释放，从而降低应力。
为达上述目的，本发明的一种改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，采用以下的技术方案：
一种改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，包括如下步骤：
①、在激光准剥离之前，首先利用加温装置将放置GaN外延片的样品台加热，进而加热放置在上面的GaN外延片，将其加热到200～900℃，优选650～800℃，在外延片处在此温度下对样品进行准剥离；
②、以固体激光器为激光光源，使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是：光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱；固体激光器可以是改进的固体倍频激光光源，其改进在于改善了光斑内部的激光涨落状况，以光斑中心为能量最高点，向四周能量逐渐变弱，整个光斑内部能量呈高斯分布或近似高斯分布；
③、低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的能量阈值下进行准剥离，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，由此达到释放GaN外延片残余应力的目的；具体为，使用低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的阈值能量进行正常的扫描准剥离，或激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态。
本发明将GaN外延片加热，在200～900℃下，使用无损激光剥离技术在低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的能量阈值下进行准剥离，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，由此达到释放GaN外延片残余应力的目的。
而使用加热的情况下进行激光预剥离的方法，可以更有效更大程度上的释放残余应力，并减小损伤。当我们将GaN外延片加热到800℃时，其已经接近了GaN生长时的温度，GaN外延片和蓝宝石衬底之间的热失配应力此时已经消除到了最小状态，在这样的状态下进行激光准剥离，有效地减小了剥离过程中热失配应力释放所造成的损伤，并更大程度的释放了热失配的残余应力。
附图说明
图1所示为激光剥离技术的基本原理图；
图2所示为蓝宝石衬底上的GaN晶体拉伸的示意图；
图3所示为经过XRD测量后计算应力释放随温度变化曲线；
图4所示为经过XRD测量后计算应力释放随激光单脉冲能量变化曲线；
图5a所示为原有脉冲光斑能量分布图；
图5b所示为本发明光斑能量分布图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。
其技术特征在于，将GaN外延片加热，在200～900℃下，使用无损激光剥离技术在低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的能量阈值下进行准剥离，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，由此达到释放GaN外延片残余应力的目的。
本发明中所述的无损激光剥离技术的特征是，以固体激光器为激光光源，使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是：光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。
在现有技术中，大光斑内的能量是均匀的，在光斑边缘能量发生骤变，故容易造成损伤，原有脉冲光斑能量分布如附图5a所示，图中x轴表示光斑边长方向，y轴表示能量大小，x轴零点位置对应光斑中心。在本发明中，我们改变了光斑内部的能量分布状况，不再一味的追求能量均匀化，而是考虑了光斑边缘能量的渐变，能量分布可如附图5b所示。相对于大光斑，小光斑更容易实现光斑激光能量的渐变。正是由于强调了光斑边缘区域的能量的渐变过程（从靠近光斑中心能量较强区到远离中心的能量较弱区的渐变），改善了GaN基材料在光斑边缘的受力状况，从而实现了小光斑的无损激光剥离。
本发明所使用的固体激光器可以是改进的固体倍频激光光源，其改进在于改善了光斑内部的激光涨落状况，以光斑中心为能量最高点，向四周能量逐渐变弱，整个光斑内部能量呈高斯分布或近似高斯分布。
使用本发明中所述的无损激光剥离技术，可以明显地改善激光剥离的效果，近乎无损的实现蓝宝石与GaN外延片的分离，并且完美的还原GaN外延片与蓝宝石衬底生长时的界面状态。
本发明中所述的将GaN外延片加热到200～900℃下是指，在激光准剥离之前，首先利用加温装置将放置GaN外延片的样品台加热，进而加热放置在上面的GaN外延片，将其加热到200～900℃，优选650～800℃，在外延片处在此温度下对样品进行准剥离。
本发明所述的激光准剥离是指使用低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的阈值能量进行正常的扫描准剥离，或激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态。
使用加热下的激光准剥离方法可以有效地缓解GaN外延片与蓝宝石衬底之间的残余应力。如上文所述，在GaN的外延生长过程中，残余应力主要是晶格失配应力和热失配应力，晶格失配应力主要是蓝宝石衬底和GaN晶体晶格大小不匹配造成的。热失配应力主要是由于两者热胀系数不同，而GaN外延片是在800℃以上的高温生长的，生长完毕降温后，两者的晶格收缩比例有很大不同，因此造成了彼此之间晶格的互相牵制，残余热失配应力。
使用激光准剥离的方法就已经可以很好的释放晶格失配应力和热失配应力。其原理是当我们将GaN和蓝宝石的连接界面适用激光准剥离的方法击打为弱连接或网状连接时，有效地减轻了两者之间晶格的相互作用，使远离GaN与蓝宝石界面的GaN晶体得到了释放，从而降低应力。
而使用加热的情况下进行激光预剥离的方法，可以更有效更大程度上的释放残余应力。并减小损伤。当我们将GaN外延片加热到800℃时，其已经接近了GaN生长时的温度，GaN外延片和蓝宝石衬底之间的热失配应力此时已经消除到了最小状态，在这样的状态下进行激光准剥离，有效地减小了剥离过程中热失配应力释放所造成的损伤，并更大程度的释放了热失配的残余应力。
实施例一：
我们将激光预剥离单脉冲能量固定，改变加热温度的情况下，看加热激光预剥离对释放应力的效果。
将2英寸外延片放入样品台，完全不加热的情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用115uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
将2英寸外延片放入样品台，加热到650摄氏度的情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用115uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
将2英寸外延片放入样品台，加热到700摄氏度情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用115uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
将2英寸外延片放入样品台，加热到750摄氏度情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用115uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况将2英寸外延片放入样品台，加热到800摄氏度情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用115uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
上述样品试验完毕，XRD测试结果显示激光剥离后样品释放的应力随温度上升明显增加，如附图3所示。
实施例二：
我们将温度固定，改变单脉冲激光剥离能量的情况下，看加热激光预剥离对释放应力的效果。
将2英寸外延片放入样品台，加热到800摄氏度的情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
不使用激光扫描，30分钟后，将样品取出；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
将2英寸外延片放入样品台，加热到800摄氏度的情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用90uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
将2英寸外延片放入样品台，加热到800摄氏度情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用100uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
将2英寸外延片放入样品台，加热到800摄氏度情况下，蓝宝石背面朝向激光扫描方向；
使用120uj的单脉冲激光能量扫描样品；
使用XRD测量预剥离前后的应力情况；
上述样品试验完毕，XRD测试结果显示激光剥离后样品释放的应力随单脉冲能量增加同样明显增加，如图4所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
①、在激光准剥离之前，首先利用加温装置将放置GaN外延片的样品台加热，进而加热放置在上面的GaN外延片，将其加热到200～900℃，在外延片处在此温度下对样品进行准剥离；
②、以固体激光器为激光光源，使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是：光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱；
③、低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的能量阈值下进行准剥离，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，由此达到释放GaN外延片残余应力的目的。
2.根据权利要求1所述的一种改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，其特征在于：所述步骤②的固体激光器可以是改进的固体倍频激光光源，其改进了光斑内部的激光涨落状况，以光斑中心为能量最高点，向四周能量逐渐变弱，整个光斑内部能量呈高斯分布或近似高斯分布。
3. 根据权利要求1所述的一种改进的激光准剥离消除GaN外延片残余应力的方法，其特征在于：所述步骤③具体为，使用低于将GaN和蓝宝石衬底剥离的阈值能量进行正常的扫描准剥离，或激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态，或达到激光剥离能量阈值，但激光间或扫描使GaN和蓝宝石界面形成网状分离的不完全分离状态。
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