TWI416761B - 使用雷射剝離技術的發光二極體製造方法 - Google Patents
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Description
本揭露有關於一種發光二極體製造方法及使用在發光二極體之製造上的雷射剝離裝置，且更特別是，有關於一種使用雷射剝離技術的發光二極體製造方法及具有加熱器的雷射剝離裝置。
近年來，例如氮化鎵(gallium nitride,GaN)、氮化鋁(aluminum nitride,AlN)等之Ⅲ族氮化物(group Ⅲ-based nitrides)之好的熱穩定性與直接轉變類型能帶(direct transition type energy band)具有Ⅲ族氮化物作為用於在可見光(visible light)或紫外光(UV light)的範圍中之發光二極體之材料的吸引大量注意。具體來說，InGaN式藍及綠發光二極體用於多種運用，例如大的自然顏色平面顯示面板、交通訊號(traffic signal)、室內照明(interior lighting)、高密度光源、高解析度輸出系統、光通訊等。
由於製造允許於其上之半導體層之成長的同質基板(homogeneous substrate)是困難的，Ⅲ族氮化物半導體層(group Ⅲ-based nitride semiconductor layer)經由金屬有機化學氣相沈積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)或分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)成長於具有相似於半導體層之晶體結構之晶體結構的異質基板(heterogeneous substrate)上。具有六邊形結構之藍寶石基板一般用來作為異質基板。雖然，由於藍寶石為電
子絕緣物，藍寶石的使用會限制發光二極體的結構。因此，近代的研究聚焦於一技術的發展，此技術可在經由從磊晶層剝離異質基板之後，致使包括在例如藍寶石基板之異質基板上之化合物半導體層之磊晶層的成長，以製造垂直結構類型發光二極體。
做為異質基板剝離方法，一般使用雷射剝離技術。在雷射剝離技術中，第二基板接合至成長於異質基板(例如藍寶石基板)上之磊晶層的頂端，且雷射光束接著照射通過藍寶石基板以從磊晶層剝離該基板。這裡，考慮光學來形成具有藍寶石基板之尺寸的雷射光束是困難的。因此，具有最後晶片尺寸的雷射光束一般用於線掃描。
根據這類傳統技術，當第二基板為與藍寶石基板一致的同質基板或具有與藍寶石基板之熱膨脹係數相似的熱膨脹係數時，可在不具有顯著問題的情況下經由雷射光束照射來執行藍寶石基板的剝離。雖然，當第二基板具有不同於藍寶石基板之熱膨脹係數的熱膨脹係數時，磊晶層常常在使用雷射剝離技術來分離藍寶石基板期間經歷破裂或斷裂。此外，在第二基板接合至磊晶層之後，第二基板與藍寶石基板之間之熱係數的差異常常導致藍寶石基板的彎曲。根據藍寶石基板的位置，藍寶石基板的彎曲導致雷射光束失焦，從而使得精確地傳遞雷射光束的能量至藍寶石基板與磊晶層之間的介面是困難的。
本揭露針對解決如上所述之傳統技術的問題，且一實
施例包括一種發光二極體製造方法，其可在使用雷射剝離技術分離基板期間防止磊晶層中的破裂或斷裂。
另一實施例包括一種發光二極體製造方法，其可在使用雷射剝離技術分離基板期間來減輕成長基板的彎曲，以促進雷射光束的聚焦。
又一實施例包括一種雷射剝離裝置，其能在使用雷射剝離技術分離基板期間防止磊晶層中的破裂或斷裂。
再一實施例包括一種雷射剝離裝置，其能在使用雷射剝離技術分離基板期間來減輕成長基板的彎曲，以促進雷射光束的聚焦。
根據一觀點，提供一種使用雷射剝離技術的發光二極體製造方法。該方法包括：成長多個磊晶層於第一基板上，這些磊晶層包括第一導電類型化合物半導體層、主動層與第二導電類型化合物半導體層；在高於室溫的第一基板之第一溫度處，接合具有不同於第一基板之熱膨脹係數之熱膨脹係數的第二基板至磊晶層的頂端；以及在高於室溫但未超過第一溫度的第一基板之第二溫度處，經由照射雷射光束通過第一基板而自上述磊晶層分離第一基板。
在傳統的雷射剝離技術中，在第二基板於第一溫度處接合之後，第一基板被冷卻至室溫，且接著經由照射雷射光束通過第一基板而從磊晶層分離。這裡，第一基板與第二基板之間之熱膨脹係數的差異導致第一基板的彎曲，而在經由照射雷射光束來分離第一基板期間，磊晶層易於經歷破裂或斷裂。
相反地，根據此觀點，雷射光束於高於室溫的第一基板之第二溫度處照射。因此，隨著第一基板的彎曲被減輕，第一基板可從磊晶層分離，從而防止磊晶層中之破裂或斷裂的產生。
同時，第一基板可在照射雷射光束之前加熱至第二溫度。舉例來說，在第二基板接合至磊晶層的頂端之後，第一基板可先被冷卻至室溫。接著，第一基板可經由加熱器加熱至第二溫度。並且，在雷射光束的照射期間，第一基板可加熱且維持在第二溫度處。另外，在第二基板於第一溫度處接合至磊晶層之後，雷射光束可在第一基板被冷卻至室溫之前照射通過第一基板。
第一基板的加熱可使用熱傳導、對流或照射來執行。舉例來說，可使用電阻加熱器、加熱燈管(IR lamp)及/或熱風器(heat gun)來加熱第一基板。這些加熱器可設置於雷射剝離裝置的內部。
若第一基板為2吋藍寶石基板，第二溫度可以是第一基板之彎曲的平均值未大於3mm的溫度。第二溫度可以是第一基板之彎曲的平均值未大於1.5mm的溫度。
第二基板可以透過接合金屬的共晶結合(eutectic bonding)來接合至磊晶層，但本揭露不限於此。這裡，接合金屬可以是金錫合金(AuSn)。在此例中，第二溫度可以在200~300℃的範圍中。
根據本揭露的實施例，磊晶層的總厚度未超過10μm。這類磊晶層的總厚度是相對很小的厚度，其未超過第一及
第二基板之厚度的1/10。因此，經由磊晶層與第一基板之間之熱膨脹係數中的差異所導致的基板彎曲可以是那麼微小的而被忽略。
根據另一觀點，提供一種包括加熱器的雷射剝離裝置。該裝置包括：雷射振盪器，其發射雷射光束；台，其支撐工作件；以及加熱器，其加熱工作件。
工作件包括第一基板；多個磊晶層，其成長於第一基板上；以及第二基板，其接合至上述磊晶層。
根據此觀點，第一基板可使用加熱器來加熱。因此，根據第一基板的彎曲被減輕，雷射光束可照射通過第一基板，從而防止磊晶層中之破裂或斷裂的產生。
在一實施例中，加熱器可以是電阻加熱器(resistance heater)。進一步來說，台可包括可移動的主台與可配置於主台上的電阻加熱器。另外，電阻加熱器可配置在主台的內部。
台可進一步包括主台與加熱器之間的絕緣器、設置於電阻加熱器上的加熱器固定板，以及固定加熱器固定板的多個固定銷。絕緣器、加熱器固定板及/或固定銷可以陶瓷或塑膠製造。絕緣器、加熱器固定板及/或固定銷可以相同材料製造。
在另一實施例中，加熱器可以是加溫燈管或熱風器。
本揭露之實施例現將搭配所附圖式詳細說明。下面經由說明而給定之實施例提供本發明之完全的了解給本領域
的技術人員。因此，應了解的是基於本揭露其他實施例將是明顯的，且在不脫離本揭露的觀點可做系統、製程或細節上的改變。同樣地，應注意的是，圖式未按精確刻度來繪製，並且放大某些尺寸以清楚描述圖式。另外，整個說明書與圖式以相似的參考數字表示相似的元件。
圖1至圖5為根據本揭露之一實施例說明各自使用雷射剝離技術之發光二極體製造方法之操作的示意圖。
參照圖1，包括第一導電類型化合物半導體層(conductive-type compound semiconductor layer)21、主動層23與第二導電類型化合物半導體層25的磊晶層(epitaxial layer)26形成於第一基板10上。第一基板10可以是成長基板(growth substrate)，例如藍寶石基板，第一基板10上成長有磊晶層26。
磊晶層26可以是經由金屬有機化學氣相沈積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)或分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)成長於第一基板10上的氮化鎵系列化合物半導體(gallium nitride-based compound semiconductor)。雖然未於圖式中繪示，磊晶層26包括第一基板10與成長於其上的磊晶層26之間用於減輕晶格不匹配的緩衝層。進一步來說，主動層23可具有單一或多量子井結構。第一與第二導電類型化合物半導體可分別為n型及p型半導體或p型及p型半導體。
磊晶層26可形成具有低於10μm的總厚度。磊晶層26的總厚度是相對很小於作為成長基板之第一基板10的厚
度。舉例來說，由於第一基板10一般具有100μm或更大的厚度，磊晶層26的厚度未超過第一基板10之的1/10。就此而言，磊晶層26可形成具有低於10μm的總厚度，從而相對降低從磊晶層26施加至第一基板10的壓力。
磊晶層26在真空腔(vacuum chamber)中成長。在磊晶層26的成長之後，具有磊晶層26於其上的第一基板10從腔取出以用於後續處理。
參照圖2，第二基板30接合至磊晶層26的最上層，例如第二導電類型化合物半導體層25。第二基板30可以根據其使用且考慮到熱傳導、電傳導而被不同地選取，且第二基板30例如可以是矽基板或金屬基板。特別地，當製造垂直發光二極體時，第二基板30為導電基板。第二基板30一般具有不同於第一基板10之熱膨脹係數的熱膨脹係數。
第二基板30可經由接合金屬31的共晶接合(eutectic bonding)接合至磊晶層26。接合金屬31可以是金錫合金(AuSn)，其具有330℃的熔點。也可使用具有熔點高於AuSn的接合金屬。在接合金屬31形成於磊晶層26的一側且形成於第二基板30的另一側之後，接合金屬31被加熱至例如大約300℃以發生共晶接合，使得第二基板30接合至磊晶層26。
在形成接合金屬31之前，反射層27與擴散阻障層(diffusion barrier layer)29可形成在磊晶層26上。反射層27可經由自主動層23產生且朝向第二基板30行進的反
射光來加強光輸出。反射層27可以毆姆接觸的方式而與第二導電類型半導體層25接觸，且反射層27為鋁(Al)、銀(Ag)、鎳(Ni)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、釕(Ru)或其合金。擴散阻障層29防止反射層27之反射率的退化，其可能經由接合金屬31擴散到反射層27中而導致。
參照圖3，在第二基板30的接合之後，第一基板10與第二基板30可先被冷卻至室溫。接著，第一基板10放置於雷射剝離裝置中，以分離第一基板10。
在雷射照射之前，第一基板10在室溫之上加熱。這裡，考慮接合金屬的熔點，第一基板10的溫度(亦即第二溫度)未超過第一溫度(亦即共晶溫度)。若第二溫度超過第一溫度，由於接合金屬之過度的熱膨脹，磊晶層26可斷裂。因此，若接合金屬31例如是AuSn，第一基板10可加熱至300℃或更低的溫度，較佳的在200~300℃的範圍中。
第一基板10可在特別地製造成具有如上所述之加熱工具(亦即加熱器)的雷射剝離裝置中加熱。另外，在雷射剝離裝置外部被加熱之後，第一基板10在被冷卻至室溫之前可移動進入到雷射剝離裝置。
接著，參照圖4，雷射光束照射通過第一基板10，以從磊晶層26來分離第一基板10。這裡，第一基板10的溫度高於室溫且不超過第一溫度。因此，由於第一基板10與第二基板30之間之熱膨脹係數的差異，則施加至第一基
板10或第二基板30的壓力被減輕。如此一來，第一基板10的彎曲可減輕，以促進雷射光束的聚焦，且磊晶層26可在第一基板10的部分分離期間防止經歷破裂或斷裂。
參照圖5，在第一基板的分離之後，電極墊(electrode pad)33形成在第一導電類型化合物半導體層21的暴露表面上，而電極墊35形成在第二基板30上。接著，包括第二基板30的磊晶層26劃分成個別的發光二極體，從而完成垂直結構類型發光二極體的製造。
在此實施例中，在雷射照射之前，第一基板10描述成被加熱。另外，在第二基板30接合至磊晶層26之後，第一基板10可在被冷卻的同時，移動進入雷射剝離裝置，且可接著經由雷射光束照射於其上而從磊晶層26分離。
進一步來說，在此實施例中，雖然第二基板30描述成經由接合金屬31來接合至磊晶層26，但第二基板30也可經由其他技術來接合至磊晶層26。
圖6為根據在第二基板30接合至磊晶層26之後的加熱溫度描述第二基板30之彎曲的示意圖。這裡，第一基板10為2吋藍寶石基板，而第二基板30為矽基板且於300℃處經由AuSn-共晶接合來接合至磊晶層26。因此，彎曲的程度為量測具有晶圓放置於平坦表面之第二基板30之各自邊緣的高度而獲得的平均值，以允許第二基板30來接觸上述平坦表面。
參照圖6，在第二基板30接合至磊晶層之後，彎曲的程度於室溫處達到大約3.2mm。接著，當晶圓加熱時，彎
曲的程度降低。在200℃處，彎曲的程度降低至室溫之彎曲程度之1/2以下，而在250℃處，彎曲的程度降低至0.5mm或更低，且甚至經由額外加熱不會有更顯著的降低。
因此，可以看出在第二基板30接合至磊晶層之後，第一基板10的彎曲可經由加熱第一基板10而減輕。使用2吋藍寶石基板來獲得上述例子，而彎曲的程度預計與藍寶石基板的尺寸成比例而線性地增加。
在圖6的例子中，可以看出，當2吋藍寶石基板使用來作為第一基板10時，第一基板10可加熱至彎曲的程度變成至少3mm或更低的溫度，較佳地為彎曲的程度變成1.5mm或更低的溫度。
圖7為根據本發明之一實施例之雷射剝離裝置的示意圖。
參照圖7，雷射剝離裝置包括雷射振盪器100，其振盪雷射光束、反射鏡110，其改變雷射光束的行進方向、光透鏡120，其聚焦雷射光束、以及台200，其支撐作為雷射光束之照射目標的工作件，亦即晶圓300。該裝置可包括殼體400，其具有定義於其中的雷射光束路徑以維持真空中的路徑。
雷射振盪器100可以是氟化氪(KrF)或氟化氬(ArF)準分子雷射(excimer laser)。從雷射振盪器100發射的光束經由反射鏡110來反射，並在行進方向中改變。該裝置可包括多個反射鏡110，以改變雷射光束的行進方向。光透鏡120設置於台200上方，且聚焦進入晶圓300的雷射
光束。
台200可經由移動裝置(未繪示)而在x-方向及/或y-方向上移動，使得其上的晶圓300也可移動。晶圓300包括第一基板10、多個磊晶層26，其成長於第一基板10上、以及第二基板30，其接合至磊晶層26。雷射光束照射通過第一基板10且主要地經由第一基板10與磊晶層26之間的介面吸收。雷射光束可以點束照射，且經由晶圓300的移動來掃描晶圓300各處。
進一步來說，台200包括加熱器，其用於在雷射照射之前或雷射照射期間，加熱晶圓300。
圖8為根據本揭露之一實施例之包括電阻加熱器作為加熱器之台的剖面圖。
參照圖8，台200包括主台201、電阻加熱器205、絕緣物203、加熱器固定板207與固定銷209。主台201支撐電阻加熱器205與晶圓300，並適於經由移動裝置以在x-方向及/或y-方向上移動晶圓300。
電阻加熱器205使用來自電源的電力而產生電阻熱(resistance heat)。電阻熱從電阻加熱器205傳遞至接觸電阻加熱器205的晶圓300，使得晶圓300經由電阻熱來加熱。
絕緣物203隔離絕緣主台201與電阻加熱器205，並阻擋熱從電阻加熱器205傳遞至主台201，以改善加熱效果。絕緣物203可例如以陶瓷(ceramic)或塑膠(plastic)製造，且可以固定至主台201。
加熱器固定板207配置在加熱器上，以固定主台201與加熱器固定板207之間的電阻加熱器205。加熱器固定板207經由固定螺釘或固定銷209固定至主台201或絕緣物203。加熱器固定板207與固定銷209也可以陶瓷或塑膠製造。
在此實施例中，電阻加熱器205描述成被配置在主台201上，但也可被配置在主台201的內部。
根據此實施例，由於晶圓300可使用電阻加熱器205來加熱，晶圓彎曲可在雷射照射之前及/或雷射照射期間經由加熱晶圓300來減輕。
圖9為根據本揭露之一實施例之包括加溫燈管(IR lamp)或熱風器(heat gun)作為加熱器之台的剖面圖。
參照圖9，加熱器(例如加溫燈管或熱風器)配置在主台201上方。加溫燈管可經由發射紅外線光至加溫燈管來加熱主台201上的晶圓300，而熱風器可經由電阻熱的強力對流來加熱晶圓300。
在上述的描述中，描述了數個用於加熱晶圓的加熱器，但不同的其他加熱器也可用於經由熱傳導、對流及/或輻射來加熱晶圓。
根據本實施例，在藉由雷射剝離技術來分離成長基板期間，成長基板的彎曲會減輕，以促進雷射光束的聚焦，以及防止磊晶層中之破裂或斷裂壞的產生。進一步來說，成長基板可使用雷射剝離裝置之加熱器來加熱。
如上所述之多個不同的實施例可被結合來提供更進
一步的實施例。在本說明書中提到及/或在公開資料手冊中列舉之所有專利、專利申請公告、專利申請、外國專利、外國專利公告與非專利申請，這些專利案均作為本案之參考資料。若需要使用不同專利、申請與公佈來提供更進一步的實施例，可以修改本發明的觀點。
按照上述詳細說明，這些與其他改變可以製作成實施例。一般來說，在下面的申請專利範圍中，使用之多個條件不應理解成來限制說明書與申請專利範圍中所揭露之特定實施例之申請專利範圍，但應理解成包括伴隨著相等於有權利之申請專利範圍之最大範圍的所有可能的實施例。因此，申請專利範圍未受此處已揭露的內容所限制。
10‧‧‧第一基板
21‧‧‧第一導電類型化合物半導體層
23‧‧‧主動層
25‧‧‧第二導電類型化合物半導體層
26‧‧‧磊晶層
27‧‧‧反射層
29‧‧‧擴散阻障層
30‧‧‧第二基板
31‧‧‧接合金屬
33、35‧‧‧電極墊
100‧‧‧雷射振盪器
110‧‧‧反射鏡
120‧‧‧光透鏡
200‧‧‧台
201‧‧‧主台
203‧‧‧絕緣物
205‧‧‧電阻加熱器
207‧‧‧加熱器固定板
209‧‧‧固定銷
300‧‧‧晶圓
400‧‧‧殼體
圖1至圖5為根據本揭露之一實施例之顯示發光二極體製造方法中之各自製程的剖面圖。
圖6為在根據在接合第二基板之後的加熱溫度來描述第二基板之彎曲的示意圖。
圖7為根據本揭露之一實施例之雷射剝離裝置的示意圖。
圖8為根據本揭露之一實施例之包括電阻加熱器之台的剖面圖。
圖9為根據本揭露之一實施例之包括加熱燈管或熱風器之台的剖面圖。
10‧‧‧第一基板
21‧‧‧第一導電類型化合物半導體層
23‧‧‧主動層
25‧‧‧第二導電類型化合物半導體層
26‧‧‧磊晶層
Claims (11)
- 一種發光二極體的製造方法，包括：成長多個磊晶層於一第一基板上，該些磊晶層包括一第一導電類型化合物半導體層、一主動層與一第二導電類型化合物半導體層；於高於室溫的該第一基板之一第一溫度處，接合具有不同於該第一基板之熱膨脹係數之熱膨脹係數的一第二基板至該些磊晶層；以及於高於室溫但未大於該第一溫度的該第一基板之一第二溫度處，經由照射一雷射光束通過該第一基板而從該些磊晶層來分離該第一基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的製造方法，更包括：在照射該雷射光束之前，將該第一基板加熱至該第二溫度。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體的製造方法，其中在該雷射光束的照射期間，該第一基板被加熱至維持在該第二溫度處。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體的製造方法，其中使用配置於一雷射剝離裝置內部的一加熱器來執行該第一基板的加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的製造方法，其中該第一基板為一2吋藍寶石基板，且該第二溫度為該第一基板之彎曲之一平均值為3mm或低於3mm的 溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的製造方法，其中該第一基板為一2吋藍寶石基板，且該第二溫度為該第一基板之彎曲之一平均值為1.5mm或低於1.5mm的溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的製造方法，其中該第二基板經由一接合金屬的共晶接合來接合至該些磊晶層。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體的製造方法，其中該接合金屬為金錫合金。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體的製造方法，其中該第二溫度為在200~300℃的範圍中。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的製造方法，其中在第一基板於該第二基板接合至該些磊晶層之後冷卻的同時，執行該雷射光束的照射。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的製造方法，其中該些磊晶層的總厚度低於10μm。
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