CN107622977B - 一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底表面上生长所需外延层，并根据所需将外延层进行单元区域划分；2)根据需要在单元区域之间填充导电绝缘材料：3)将外延层和转移衬底粘合在一起；4)按照逆时针或顺时针方向，利用单光束或双光束激光辐照方式，由外向内直线渐进式扫描方式进行逐点扫描，实现蓝宝石衬底和外延层分离，并获得良好的剥离效果。

Description

一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺

技术领域

本发明属于高精度激光加工领域，具体涉及一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺。

背景技术

以III-N材料体系为基础的可见光和紫外波段发光二极管(Light EmittingDiode，简称LED)自20世纪60年代开始逐步实现红外、红光、绿光、蓝光、紫外波段高效发光，自此半导体照明技术获得快速发展，产品的发光效率获得了持续提升，开始取代传统照明方式成为市场主流技术，现阶段LED应用市场规模已达到数千亿元，因此III-N材料具有十分广阔的市场发展前景。

LED普遍采用蓝宝石材料作为外延衬底，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长得到外延结构层，但由于蓝宝石与III-N材料体系之间存在大的晶格失配和热失配，且材料自身导热性能和导电性能较差，严重影响了大功率LED的制作和发展。最常见的平面型LED是利用干法刻蚀将从P-GaN层刻蚀到N-GaN层以暴露出N型接触区，并将N型P型电极制作在芯片表面的同一侧。其电流从沿水平方向流过LED的发光区，由于电子横向注入是从一个电极出发到另一个电极，导致途中电流密度分布不均匀，产生电流拥堵效应同时也造成了发光不均匀，且热分布也不均匀，容易造成器件快速老化失效，从而限制了单颗LED芯片的尺寸以及器件的发光。

采用垂直结构芯片技术可以解决以上技术瓶颈问题。垂直结构芯片将LED的两个电极放在LED薄膜的两侧，电流沿垂直方向流过器件，大幅度提升单芯片工作电流密度，可以制备大尺寸单颗LED芯片，同时彻底解决蓝宝石绝缘且散热不佳的问题。垂直结构LED芯片制造主要采用衬底转移技术，先在外延层上加工出芯片间的沟道，然后利用晶圆键合技术将转移衬底和外延片粘合在一起，然后从蓝宝石一侧利用准分子激光辐照外延层，利用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除，并将外延层转移到其他导电导热性能良好的衬底上。目前最为常见的激光剥离加工方式，是沿着水平或垂直方向往复连续递进式进行蓝宝石和外延层的剥离，这种方法工艺简单，对设备硬件和编程要求也相对较低，但是激光辐照外延层界面时由于外延层吸收激光能量分解同时将产生较大的应力释放和高压氮气冲击，采用这种方向往复连续递进式加工将会对其相邻区域未剥离的外延功能区带来严重的冲击影响，容易造成材料损伤，器件失效或器件漏电情况显著加剧，最终导致器件的工艺成品率和自身可靠性大幅度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，其激光光斑按照由外向内直线型渐进式逐点扫描方式，实现蓝宝石衬底和外延层的剥离，由于激光光斑从被加工样品的***开始进行扫描，在剥离瞬间产生的高压氮气可以更有效地从已经被剥离的***进行释放，因此可以大幅度降低激光剥离瞬间因高压氮气冲击对其相邻器件的影响，且直线型光斑移动方式相比圆型或弧线型螺线由外向内渐进方式，对设备移动和程序执行复杂程度的要求大幅度降低，同时正方形或矩形激光光斑相比圆形光斑更容易实现剥离区域的完整衔接或光斑重叠，还可以通过采用双光束加工方式从而实现缩短剥离工艺周期，采用该激光剥离工艺方法，可以有效提升蓝宝石衬底剥离良率，为其规模化生产提供更好的解决方案。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，包括以下步骤：

1)在蓝宝石衬底上完成外延层的生长，对该外延层进行单位区域划分形成沟道，在外延层单位区域间的沟道内制备硬质或柔性导电绝缘层，随后在外延层表面上制备第一层粘合层；

2)在整面转移衬底之上制备第二层粘合层；

3)将第一层粘合层和第二层粘合层粘附在一起，从而将转移衬底和外延层连接在一起；

4)选择光斑形貌、激光能量和激光光束，利用光斑或载具进行微米级移动，采用直线型向内渐进式逐点扫描，最终将蓝宝石衬底和外延层完整的分开。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，还包括采用光斑重叠辐照剥离方式，以及采用双光束辐照方式对外延层进行激光剥离。

本发明进一步的改进在于，激光光斑重叠区域的面积在10％-90％范围之间可调。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，激光的加工方式为按照由外向内直线型渐进方式以微米级移动逐点扫描光斑。

本发明进一步的改进在于，光斑采用多种光束辐照方式，且光斑之间采用有无重叠方式实现蓝宝石衬底激光剥离，多种光束辐照方式采用单光束或双光束方式实现激光剥离。

本发明进一步的改进在于，激光为脉冲或连续激光光源，其光斑为正方形或矩形，边长尺寸在数十微米到数千微米之间可调。

本发明进一步的改进在于，由外向内直线型渐进方式按照顺时针或逆时针方向，依照正方形或矩形边长由外向内逐点进行扫描。

本发明进一步的改进在于，激光加工光斑微米级移动距离在数十至数千微米范围内可调。

本发明进一步的改进在于，微米级移动通过激光光斑移动或载具移动来实现。

本发明具有如下的优点：

相对于现有的水平或垂直往复式蓝宝石衬底激光剥离技术，本发明采用按照由外向内直线型渐进方式并以微米级移动进行逐点扫描来实现蓝宝石衬底的剥离。其优点是充分利用现有设备工艺能力，减少对机台硬件进行改造和复杂的移动程序编制，可批量处理样品，不仅降低了工艺复杂度；同时采用由外向内的逐点扫描方式，大幅度降低了剥离瞬间界面处高压氮气冲击和应力释放两种影响可能造成的器件性能恶化，提升了产品和工艺良率，经过工艺验证，在现有的单光束激光剥离工艺条件下，其剥离工艺良率可提升10％以上，适合用规模化批量生产。

附图说明

图1是本发明蓝宝石衬底及其外延层结构示意图

图2是具体实施例1中激光剥离方法示意图。

图3是具体实施例2中激光剥离方法示意图。

图中，100-蓝宝石衬底，101-外延层，102-激光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

本发明提供的一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，具体包括以下步骤：

(1)首先在蓝宝石衬底100上利用外延生长方法制备氮化镓LED外延层101，该外延层101其总厚度控制在5-10微米；包括缓冲层Buffer layer、非故意掺杂层U-GaN，重掺杂N-GaN，多量子阱MQW，电子阻挡层EBL，重掺杂P-GaN。外延生长方法可以是金属化学气相沉积、激光辅助分子束外延、激光溅射，或氢化物汽相外延。淀积的外延薄膜可以是非晶、多晶、或单晶结构，该蓝宝石衬底包含但不限于镜面或微米级/纳米级图形化蓝宝石衬底中的一种，其优选方案是镜面蓝宝石衬底；该外延层包含以GaN/InGaN/AlGaN/AlInGaN等材料体系组方向往复连续递进式成的LED外延结构中的一种或几种，其优选方案是GaN/InGaN。

(2)在外延层101表面热蒸发制备一层金属铟，厚度在1微米至数十微米之间，随后将其加热至熔点附近，将转移衬底压合到外延层101的金属铟之上，降温使外延层101和转移衬底粘合在一起。

(3)利用波长为248nm的单光束准分子激光102，激光光斑为正方形，光斑边长为2mmX2mm，从晶圆最***开始，移动间距也为2mmX2mm，按照顺时针方向由外向内沿直线渐进式逐点扫描剥离(如图2所示)。

(4)完成激光剥离程序后，取下被完整剥离开的蓝宝石衬底，用体积比为1∶1的盐酸溶液清洗剥离后的氮化镓界面，用去离子水清洗干净并用氮气吹该剥离样品，最终获得完整剥离后的氮化镓外延层。

实施例2：

本发明提供的一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，具体包括以下步骤：

(1)首先在蓝宝石衬底100上利用外延生长方法制备铝镓氮外延层101，该外延层101其总厚度控制在5-10微米；包括缓冲层Buffer layer、AlN层、超晶格结构SL，重掺杂N-AlGaN，多量子阱MQW，P-AlGaN，重掺杂P-GaN接触层。外延生长方法可以是金属化学气相沉积、激光辅助分子束外延、激光溅射，或氢化物汽相外延。淀积的外延薄膜可以是非晶、多晶、或单晶结构，该蓝宝石衬底包含但不限于镜面或微米级/纳米级图形化蓝宝石衬底中的一种，其优选方案是微米级尺寸图形化蓝宝石衬底；该外延层包含以GaN/AlN/AlGaN/AlInGaN等材料体系组成的LED外延结构中的一种或几种，其优选方案AlN/AlGaN。

(2)在该外延层101上利用电子束和热蒸发工艺制备粘合层，其结构为Ni/Ag/Ti/Au/AuSn，其总厚度为0.9-10微米(Ni厚度范围

Ag厚度范围150-300nm，Ti厚度范围100-500nm，Au厚度范围200nm-5um，AuSn厚度范围500nm-5um)；同样在转移衬底上利用电子束和热蒸发工艺制备粘合层，其结构为Ti/Au/AuSn，其总厚度为0.8-10微米(Ti厚度范围100-500nm，Au厚度范围200nm-5um，AuSn厚度范围500nm-5um)，该粘合层材料包括但不限于铟、镍、钛、银、铝、金、铂、金锡等金属材料中一种或多种，其优选方案为钛、金、金锡复合层，该转移衬底包括但不限于Si、SiC、AlSi、Cu、CuMo、CuW，或者是导电导热材料再热定型的机械性能良好的基板，其优选方案为CuW和Si。

(3)利用晶圆键合设备，在设定的键合压力、键合温度及工艺时间下，利用外延层101和转移衬底之上的两层粘合层通过共晶键合方式压合在一起，实现将氮化镓外延层和转移衬底连接在一起形成一体材料。

(4)再利用波长为193nm的双光束准分子激光102，激光光斑为正方形，光斑边长为1mmX1mm，从晶圆最***开始，按照比例为50％的重叠辐照方式进行移动，按照顺时针方向由外向内沿直线渐进式逐点扫描剥离(如图3所示)。

(5)完成激光剥离程序后，取下被完整剥离开的蓝宝石衬底，用醋酸或草酸溶液清洗剥离后的铝镓氮界面，用去离子水清洗干净并用氮气吹该剥离样品，最终获得完整剥离后的氮化镓外延层。

本发明采用工艺优化设计思路，对原有较为简单的水平或垂直方向往复式激光剥离方式进行了改进，降低了原有激光剥离工艺中因剥离瞬间因高压氮气冲击或应力释放对相邻区域的影响外，同时也简化了其他采用圆型或弧线型剥离工艺存在的对设备要求高且程序复杂度较高等问题，可以提高工艺和产品良率。该方法为外延层和蓝宝石衬底剥离提供了一种新的技术方案，为制作III-N系列垂直结构器件提供了一种高工艺可靠性的技术途径。

Claims (5)

1.一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1）在蓝宝石衬底（100）上完成外延层（101）的生长，对该外延层（101）进行单位区域划分形成沟道，在外延层单位区域间的沟道内制备硬质或柔性绝缘层，随后在外延层（101）表面上制备第一层粘合层；

2）在整面转移衬底之上制备第二层粘合层；

3）将第一层粘合层和第二层粘合层粘附在一起，从而将转移衬底和外延层连接在一起；

4）选择光斑形貌、激光能量和激光光束，利用光斑或载具进行微米级移动，激光（102）采用直线型向内渐进式逐点扫描，按照由外向内直线型渐进方式以微米级移动逐点扫描光斑，最终将蓝宝石衬底（100）和外延层（101）完整的分开；

光斑采用多种光束辐照方式，且光斑之间采用有重叠方式实现蓝宝石衬底激光剥离，多种光束辐照方式采用单光束或双光束方式实现激光剥离；激光为脉冲或连续激光光源，其光斑为矩形，边长尺寸在数十微米到数千微米之间可调；由外向内直线型渐进方式按照顺时针或逆时针方向，依照矩形边长由外向内逐点进行扫描。

2.根据权利要求1所述的一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，其特征在于，步骤4）中，还包括采用光斑重叠辐照剥离方式，以及采用双光束辐照方式对外延层（101）进行激光剥离。

3.根据权利要求2所述的一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，其特征在于，激光光斑重叠区域的面积在10%-90%范围之间可调。

4.根据权利要求1所述的一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，其特征在于，激光加工光斑微米级移动距离在数十至数千微米范围内可调。

5.根据权利要求1所述的一种渐进式微米级蓝宝石衬底激光剥离工艺，其特征在于，微米级移动通过激光光斑移动或载具移动来实现。

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