TWI474381B - Preparation method of epitaxial substrate - Google Patents

Description

磊晶基板的製作方法

本發明是有關於一種基板，特別是指一種磊晶基板(epitaxial substrate)的製作方法。

藍光/綠光發光二極體(light emitting diode，LED)基於其所使用之藍寶石(sapphire)磊晶基板不易散熱等原因，如圖1所示，熟悉此技術領域的相關技術人員便採用晶圓鍵合的技術(wafer bonding)，以將一藍寶石磊晶基板10上的一氮化鎵(GaN)膜層結構11貼合至一散熱性導電基板100上[參圖1(B)]，並進一步地利用雷射剝離(laser lift-off；LLO)製程來裂解該GaN膜層結構11與藍寶石磊晶基板10間的緩衝層12，從而使得該藍寶石磊晶基板10是自該GaN膜層結構11被移除掉[參圖1(C)]，以藉此解決前述散熱不佳的問題，並於移除該藍寶石磊晶基板10後的該GaN膜層結構11上形成一上電極(圖未示)以製得一垂直導通式(vertical feedthrough)的發光二極體。

然而，此處需補充說明的是，如圖1(A)所示，在實施晶圓鍵合技術之前，該GaN膜層結構11的表面上是預先依序形成有一金屬反射層13及一金屬鍵合層14；之後，再利用熱壓法(即，晶圓鍵合技術)使該金屬鍵合層14與該散熱性導電基板100上的另一金屬鍵合層15上相互鍵合[如圖1(B)所示]。

因此，熟悉此技術領域相關技術人員應知，在實施晶 圓鍵合技術時，該金屬反射層13將因熱壓法所處的高溫環境而出現氧化問題，從而使得該金屬反射層13的反射率嚴重地受到不良的影響。再者，在晶圓鍵合技術之後所實施的LLO製程中，該GaN膜層結構11亦將因LLO製程的高能量雷射光束而受到損傷，從而影響其漏電流的特性。關於垂直導通式發光二極體之製法及其結構等相關說明，可參TW200812105與TW201123524等早期公開專利公報的說明。

此處更須點破的一成本問題是，即便是散熱問題可經由上述製法/結構初步地取得其解決方案；然而，該GaN膜層結構11始終必須成長在價格昂貴的藍寶石磊晶基板10上，導致垂直導通式發光二極體的整體製作成本無法被向下拉低。

經上述說明可知，改良磊晶基板的製法及其製品結構，藉以降低垂直導通式發光二極體的原物料成本，使得垂直導通式發光二極體之製法得以根據磊晶基板的結構改良而獲得改進，並從而解決漏電流甚或金屬反射層高溫氧化等問題，是此技術領域相關技術人員所需改進的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種磊晶基板的製作方法。

本發明之另一目的，即在提供一種磊晶基板。

於是，本發明磊晶基板的製作方法，是用以於其上成長一磊晶膜層結構以構成一垂直導通式發光二極體，該磊 晶膜層結構是由一以氮化鎵為主(GaN-based)的材料所構成。該製作方法包含以下步驟：(a)於一第一單晶板本體的一第一表面形成一第一鍵合層；(b)於一第二單晶板本體的一第一表面形成一第二鍵合層；(c)以熱壓法使該第一鍵合層與該第二鍵合層鍵合在一起，並從而形成一黏結層；及(d)於該步驟(c)後，自該第二單晶板本體之一相反於其第一表面的第二表面薄化該第二單晶板本體，該第二單晶板本體的第二表面是用以成長該磊晶膜層結構。

此外，本發明之磊晶基板，是用以於其上成長一磊晶膜層結構以構成一垂直導通式發光二極體，該磊晶膜層結構是由一以氮化鎵為主的材料所構成。本發明該磊晶基板包含：一第一單晶板本體、一第二單晶板本體，及一黏結層。該第二單晶板本體具有相反設置的一第一表面及一第二表面，該第二單晶板本體的第二表面是用以成長該磊晶膜層構，且該第二單晶板本體的厚度是低於10 μm。該黏結層鍵合於該第一單晶板本體與該第二單晶板本體之第一表面之間。

本發明之功效在於：其經改良的磊晶基板結構可降低垂直導通式發光二極體的原物料成本，並使得垂直導通式發光二極體之製法得以根據磊晶基板的結構改良而獲得改 進，從而解決漏電流甚或金屬反射層高溫氧化等問題。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明磊晶基板2的製作方法的一較佳實施例，是用以於其上成長一磊晶膜層結構3以構成一垂直導通式發光二極體(參圖6)，該磊晶膜層結構3是由一以氮化鎵為主(GaN-based)的材料所構成。本發明該較佳實施例之製作方法包含以下步驟：(a)於一第一單晶板本體21的一第一表面211形成一第一鍵合層231；(b)於一第二單晶板本體22的一第一表面221形成一第二鍵合層232；(c)以熱壓法使該第一鍵合層231與該第二鍵合層232鍵合在一起，並從而形成一黏結層23；及(d)於該步驟(c)後，自該第二單晶板本體22之一相反於其第一表面221的第二表面222薄化該第二單晶板本體22，該第二單晶板本體22的第二表面222是用以成長該磊晶膜層結構3。

較佳地，該步驟(d)之第二單晶板本體22經薄化後的厚度是低於10μm。在本發明該較佳實施例中，該步驟(d)是使用化學機械研磨法(CMP)來薄化該第二單晶板本體22。

由本發明該較佳實施例之上述製作方法的初步說明可 知，經本發明該較佳實施例之製作方法所製得的磊晶基板2是顯示於圖2的步驟(d)，其是用以於其上成長該磊晶膜層結構3以構成該垂直導通式發光二極體(參圖6)，該磊晶膜層結構3是由一以氮化鎵為主的材料所構成。該磊晶基板2包含：該第一單晶板本體21、該第二單晶板本體22，及該黏結層23。該第二單晶板本體22具有相反設置的第一表面221及第二表面222，該第二單晶板本體22的第二表面222是用以成長該磊晶膜層構3，且該第二單晶板本體22的厚度是低於10 μm。該黏結層23鍵合於該第一單晶板本體21與該第二單晶板本體22之第一表面221之間。

較佳地，於該步驟(a)與該步驟(b)之後並於該步驟(c)之前，還包含對該步驟(a)與該步驟(b)所形成的第一鍵合層231與第二鍵合層232施予RCA清洗流程(圖未示)，以移除該第一鍵合層231與該第二鍵合層232表面的有機物及金屬微粒並於其表面形成偶極(dipole)，且該第一鍵合層231與該第二鍵合層232的平均表面粗糙度是小於0.4 nm，以致於在實施該步驟(c)的狀態下，使該第一鍵合層231與該該第二鍵合層232面對面接觸時能初步地因其兩者表面的凡得瓦爾力(van der Waals' forces)而相互吸附。

較佳地，該第一單晶板本體21是由一適合由一濕式蝕刻劑所移除的第一單晶材料所構成；該第二單晶板本體22是由一第二單晶材料所構成，該第二單晶材料是矽(111)，且本發明該較佳實施例之第一單晶材料及第二單晶材料對該濕式蝕刻劑是呈現出選擇性蝕刻(selectivity etching)的特 性，以致該濕式蝕刻劑對該第一單晶材料的蝕刻速率是遠大於對該第二單晶材料的蝕刻速率。在本發明該較佳實施例中，該第一單晶材料是矽(100)；該第一鍵合層231與該第二鍵合層232是由氧化矽(SiO₂ )所構成；即，該黏結層23是由氧化矽所構成；此外，適用於本發明該較佳實施例之濕式蝕刻劑是氫氧化鉀(KOH)。

較佳地，該第一鍵合層231的厚度是介於0.4 μm至2 μm之間；該第二鍵合層232的厚度是介於0.4 μm至2 μm之間(即，該黏結層23的厚度是介於0.8 μm至4 μm之間)；該步驟(c)的實施溫度是介於500℃至1100℃之間，該步驟(c)的實施壓力是介於5 MPa至15 MPa之間。

此處值得補充說明的是，本發明該較佳實施例之磊晶基板2後續被進一步地拿來製作垂直導通式發光二極體的相關說明及其應用，是簡單地說明於下。

首先，參圖3，此熟悉此技術領域的相關技術人員可在該第一單晶板本體21之遠離該黏結層23的一第二表面212形成一高緻密性並具有一開口50的遮罩層5，並根據該第一單晶板本體[即，矽(100)]21與該第二單晶板本體[即，矽(111)]21兩者對KOH的選擇性蝕刻差異，使用KOH以快速地移除裸露於該開口50外的第一單晶板本體21，從而在該第一單晶板本體21形成一貫穿其第一、二表面211、212並界定出一空間210的內圍繞面213；其中，KOH的濕式蝕刻行為是終止於該黏結層(SiO₂ )23。

進一步地，參圖4，利用離子耦合電漿(ICP)乾式蝕刻 法自該黏結層23朝該磊晶膜層結構3的方向依序移除該裸露於該空間210外的黏結層23、第二單晶板本體22及部分磊晶膜層結構3，從而於該黏結層23、該第二單晶板本體22及該磊晶膜層結構3分別形成有一內環面233、223、36，且該第一單晶板本體21的內圍繞面213及該等內環面233、223、36共同界定出一空腔20，並使該磊晶膜層結構3中的一n型GaN層31裸露於該空腔20外。之後，移除該遮罩層5(如圖5所示)。經本段說明可知，為避免ICP乾式蝕刻法實施時間過長；因此，如前幾段所述者，本發明該較佳實施例之第二單晶板本體22與該黏結層23的厚度較佳是分別控制在10 μm以下與0.8 μm至4 μm之間。

如圖6所示，熟悉此技術領域的相關技術人員可在圖3~圖5等流程之前，於該磊晶膜層結構3的表面預先形成多數個相互間隔設置的第一電極4，甚或在該磊晶膜層結構3與該等第一電極4之間形成一透明導電層(圖未示)以作為一電流傳播層(current spreading layer)。最後，自形成有該空腔20的一側依序形成一金屬反射層6、一第二電極層7及一散熱層8；該金屬反射層6覆蓋該n型GaN層31、該等內環面36、223、233、該第一單晶板本體21的內圍繞面213及其第二表面212，該第二電極層7覆蓋該金屬反射層6，且該散熱層8覆蓋該第二電極層7，並藉此完成該垂直導通式發光二極體的底部毆姆接觸。

再參圖3、圖4及圖6，本發明該較佳實施例所製得之磊晶基板2一方面是利用該第二單晶板本體[即， Si(111)]22，來降低該磊晶膜層結構3於磊晶成長時所產生的晶格不匹配度(lattice mismatch)，以藉此取代價格較為昂貴的藍寶石磊晶基板，並降低製作垂直導通式發光二極體時的原物料成本。

另一方面，本發明該較佳實施例亦藉由該第一單晶板本體21[即，Si(100)]與該第二單晶板本體22[即，Si(111)]兩者對於該濕式蝕刻劑(即，KOH)的選擇性蝕刻特性，以快速地在該第一單晶板本體21中形成該空間210；並進一步地透過ICP乾式蝕刻法以依序移除裸露於該空間210外的黏結層23、第二單晶板本體[即，Si(111)]22與部分磊晶膜層結構3，從而使該n型GaN層31裸露於該空腔20外，以使得該金屬反射層6、該第二電極層7與該散熱層8可留在垂直導通式發光二極體之製法的最後一道步驟實施，並完成底部毆姆接觸的製作程序，以藉此避免該金屬反射層6因高溫製程的熱壓法所衍生的氧化問題，並提升該金屬反射層6的反射率。

再者，由於該空腔20是由該磊晶膜層結構3的內環面36與本發明該較佳實施例之磊晶基板2之內圍繞面213及各內環面233、223所共同定義而成；因此，該金屬反射層6的披覆面積相對地獲得提升，亦增加了後續所完成之垂直導通式發光二極體的整體散熱面積。

又，本發明該較佳實施例之磊晶基板2的結構設計，其在後續製作垂直導通式發光二極體時，可省略掉先前技術所使用的雷射剝離(LLO)製程，使該磊晶膜層結構3免於 遭受高能量的雷射光束所損傷，可降低先前技術所述及的漏電流問題。

綜上所述，本發明磊晶基板的製作方法及其製品，其經改良的磊晶基板結構可降低垂直導通式發光二極體的原物料成本，並使得垂直導通式發光二極體之製法得以根據磊晶基板的結構改良而獲得改進，從而解決漏電流甚或金屬反射層高溫氧化等問題，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧磊晶基板

20‧‧‧空腔

21‧‧‧第一單晶板本體

210‧‧‧空間

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

213‧‧‧內圍繞面

22‧‧‧第二單晶板本體

221‧‧‧第一表面

222‧‧‧第二表面

223‧‧‧內環面

23‧‧‧黏結層

231‧‧‧第一鍵合層

232‧‧‧第二鍵合層

233‧‧‧內環面

3‧‧‧磊晶膜層結構

31‧‧‧n型GaN層

36‧‧‧內環面

4‧‧‧第一電極

5‧‧‧遮罩層

50‧‧‧開口

6‧‧‧金屬反射層

7‧‧‧第二電極層

8‧‧‧散熱層

圖1是一元件製作流程示意圖，說明傳統垂直導通式發光二極體的基本製法；圖2是一元件製作流程示意圖，說明本發明磊晶基板的製作方法的一較佳實施例；圖3是一正視示意圖，說明本發明該較佳實施例所得之磊晶基板，其在後續應用於製作垂直導通式發光二極體時的一流程的一步驟；圖4是一正視示意圖，說明延續於圖3之後的一步驟；圖5是一正視示意圖，說明延續於圖4之後的一步驟；及圖6是一正視示意圖，說明延續於圖5之後的步驟所 完成的一垂直導通式發光二極體。

2‧‧‧磊晶基板

21‧‧‧第一單晶板本體

211‧‧‧第一表面

22‧‧‧第二單晶板本體

221‧‧‧第一表面

222‧‧‧第二表面

23‧‧‧黏結層

231‧‧‧第一鍵合層

232‧‧‧第二鍵合層

3‧‧‧磊晶膜層結構

Claims (7)

1. 一種磊晶基板的製作方法，是用以於其上成長一磊晶膜層結構以構成一垂直導通式發光二極體，該磊晶膜層結構是由一以氮化鎵為主的材料所構成，該製作方法包含以下步驟：(a)於一第一單晶板本體的一第一表面形成一第一鍵合層；(b)於一第二單晶板本體的一第一表面形成一第二鍵合層；(c)以熱壓法使該第一鍵合層與該第二鍵合層鍵合在一起，並從而形成一黏結層；及(d)於該步驟(c)後，自該第二單晶板本體之一相反於其第一表面的第二表面薄化該第二單晶板本體，該第二單晶板本體的第二表面是用以成長該磊晶膜層結構；其中，於該步驟(a)與該步驟(b)之後並於該步驟(c)之前，還包含對該步驟(a)與該步驟(b)所形成的第一鍵合層與第二鍵合層施予RCA清洗流程，以移除該第一鍵合層與該第二鍵合層表面的有機物及金屬微粒並於其表面形成偶極，且該第一鍵合層與該第二鍵合層的平均表面粗糙度是小於0.4nm，以致於在實施該步驟(c)的狀態下，使該第一鍵合層與該第二鍵合層面對面接觸時能初步地因其兩者表面的凡得瓦爾力而相互吸附。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製作方法，其中，該第一單晶板本體是由一適合由一濕式蝕刻劑所 移除的第一單晶材料所構成；該第二單晶板本體是由一第二單晶材料所構成，該第二單晶材料是矽(111)，且該濕式蝕刻劑對該第一單晶材料的蝕刻速率是遠大於對該第二單晶材料的蝕刻速率。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之磊晶基板的製作方法，其中，該第一單晶材料是矽(100)。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之磊晶基板的製作方法，其中，該第一鍵合層與該第二鍵合層是由氧化矽所構成。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之磊晶基板的製作方法，其中，該步驟(c)的實施溫度是介於500℃至1100℃之間，該步驟(c)的實施壓力是介於5MPa至15MPa之間。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製作方法，其中，該第一鍵合層的厚度是介於0.4μm至2μm之間；該第二鍵合層的厚度是介於0.4μm至2μm之間。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之磊晶基板的製作方法，其中，該步驟(d)之第二單晶板本體經薄化後的厚度是低於10μm。