用于形成光电器件的技术的制作方法

文档序号:9332877阅读:306来源:国知局
用于形成光电器件的技术的制作方法
【专利说明】用于形成光电器件的技术
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本非临时专利申请要求于2013年I月16日提交的美国临时专利申请第61/753,364号的优先权并且为了所有目的将其全部通过引用结合于此。
【背景技术】
[0003]本发明的实施方式大体涉及包括用于使用层转移技术形成衬底的方法和结构的技术。某些实施方式采用加速器处理用于在包括诸如发光二极管(LED)和半导体激光器的光电器件的各种应用中制造半导体膜。但是应认识到本发明具有更宽的可用性范围;其还可以应用于其他类型的应用,例如集成半导体器件的三维封装、光学器件或者光电器件、压电器件、平板显示器、微型机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物器件和生物医学器件等。
[0004]某些实施方式可包括用于从块状形式的材料,诸如单晶GaN或者SiC铸锭裂化独立式的膜的方法和装置。这种独立式的膜作为用于诸如LED的光电器件的形成的模板是有用的。但是,应认识到本发明的实施方式具有更宽的可用性范围;其还可以应用于其他类型的应用,例如集成半导导体器件的三维封装、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物器件和生物医学器件等。
[0005]例如,在逻辑器件、太阳能电池、和越来越多的照明的形成中发现半导体材料的许多用途。可以用于照明的半导体器件的一种类型是高亮度发光二极管(HB-LED)。与传统的白炽照明或者甚至荧光照明技术对比,就减小功率消耗和可靠性而言,HB-LED提供显著的优势。可以用于照明的另一种类型的半导体器件是激光器。在用于显示器及其他应用中发现增加采用基于半导体原理操作的激光器的使用。
[0006]这种光电器件依赖表现半导体特性的诸如例如氮化镓(GaN)的类型III/V材料的材料。GaN在晶序的各个等级中可利用。然而,这些材料常常难以制造。
[0007]另外,诸如这些半导体材料的材料在传统的制造期间忍受称作“切口损失”的材料损失,其中,锯切过程从成长的晶锭消除多达40 %并且甚至高达60 %的初始材料并且将材料单一化为晶片形式因子。这是制备用于光电应用的半导体材料的高度低效率的方法。
[0008]具体地,用于将单晶半导体材料制造为电子器件的传统方法通常包括从最初合成的铸锭或者晶锭物理分离半导体材料的薄的单晶层。一种这样的传统制造技术是内径(ID)锯切。
[0009]ID锯切技术采用具有位于其内径上的刀片的圆锯。铸锭被推进通过锯的中心直至期望的晶片厚度在锯的另一侧。随着锯旋转,然后使锯升高或者降低以允许刀片通过铸锭切片。ID锯切方法具有了许多可能的缺点。
[0010]—个是锯必须是最小厚度以足以坚固经受住锯切行为的应力。然而,对应于该锯厚度(切口)的材料的量通过该切割损失。使用可以可靠地用来锯切铸锭的甚至最薄的锯条可以导致昂贵的、纯的单晶材料损失至切口。例如,典型锯条切口具有300 μπι的宽度,其中单独切片的晶片可以仅具有400 μπι至500 μπι的宽度。因此,传统的晶片锯切技术的使用可以导致昂贵的、纯的初始物质的相当于高达60%的整个铸锭的切口损失。传统ID锯切技术的另一缺点是一次仅可以分开一个切片,因此限制生产量和提高成本。
[0011]部分地响应于锯切的受限的生产量,已发展出线锯切的替换的常规方法。在线锯切中,提供迅速移动平行线的网络。然后在通常包括油和磨料的环境中使铸锭的侧面与移动线接触,导致晶片同时切片为多个晶片。该技术超越ID锯切的优势包括晶锭的平行锯切。然而有效的、传统的线锯切也具有缺点,具体地,可归因于线厚度的约50%的依然显著的切口损失,和通过将衬底暴露至油和磨料的可能的污染。
[0012]此外,层转移可以确保在固态照明器件中理想的许多热、电和光学特性集成在生长衬底内。代替需要的复杂的后处理,这种结构将消除随后的制造步骤,因此改善性能并降低成本。
[0013]从上可知,看出非常期望用于形成高质量和低成本的合适的衬底材料的技术。用于制造基于半导体的光电器件的成本效益和有效技术也是所希望的。

【发明内容】

[0014]实施方式涉及使用粒子加速器束流以从块状衬底形成材料的薄膜。在【具体实施方式】中,具有顶表面的块状衬底(例如,施体衬底)暴露于加速粒子的束流。在某些实施方式中,该块状衬底可以包括GaN ;在其他实施方式中,该块状衬底可以包括S1、SiC、或者其他材料。于是,通过沿着通过从射束注入的粒子形成的裂化区域执行受控裂化处理使材料的薄膜或者晶片与块状衬底分离。在某些实施方式中,该分离的材料直接合并到光电器件,例如从GaN块状材料裂化的GaN薄膜内。在一些实施方式中,该分开的材料可以采用作为用于对光电器件有用的半导体材料(例如,GaN)的进一步生长的模板。
【附图说明】
[0015]图1是示出了使用根据本发明的实施方式的层转移过程的方法的简化的过程流程。
[0016]图1A至图1D示出根据各种实施方式的控制裂化的步骤。
[0017]图2是示出了替换实施方式的简化的过程流程。
[0018]图3A是示出多层衬底结构的实施方式的简化的视图。
[0019]图3B是在HB-LED应用中使用的多层衬底结构的实施方式的详细视图。
[0020]图3C是在GaN电子应用中使用的多层衬底结构的实施方式的详细视图。
[0021]图3D绘制LED发射功率对比电流作为GaN与基于蓝宝石的外延生长种子材料之间的比较。
[0022]图3E显示示出LED制造过程的步骤的概述。
[0023]图4是示出根据某些实施方式可以采用以形成光电器件的各种步骤的曲线图。
[0024]图5至图11示出各种层转移过程的某些步骤。
[0025]图12至图22是示出了受控裂化技术的简图。
[0026]图23A是示出了使用体现为流体或者气体的高压喷射以使材料的薄膜与施体晶片分开的受控裂化技术的简图。
[0027]图23B是示出了根据实施方式使用静压使材料的薄膜与施体晶片分开的受控裂化技术的简图。
[0028]图24是示出了利用可选择的表层使用高能粒子将包括半导体材料的施体衬底注入以形成裂化平面的简图。
[0029]图25至图29是示出了形成绝缘体上硅衬底的方法的简化截面图。
[0030]图30和图31分别示出施加双悬臂裂化(DCB)机械载荷并计算裂化平面能量的非切割构造和切割构造。
[0031]图32A示出用于蓝宝石衬底上的集成的图案以允许与PSS (图案化的蓝宝石衬底)相似的光抽取方法的过程序列的实施方式。
[0032]图32B示出顶部平坦化层可以包含导电岛的过程序列的实施方式。
[0033]图33是根据实施方式的一个等离子体浸没离子注入(PHI)构造的简化的视图。
[0034]图34示出图33的具有脉冲电压的实施方式的简化的视图。
[0035]图35示出PHI漂移模式构造的实施方式的简化的视图。
[0036]图36示出根据实施方式的密排孔构造。
【具体实施方式】
[0037]根据本发明的实施方式,提供了包括用于形成适用于光电应用的衬底的方法的技术。更具体地,根据本发明的实施方式提供从半导体材料形成材料层的方法。在具体的实施方式中,使用多个高能粒子提供材料层以使在半导体衬底中形成裂化平面。根据本发明的实施方式的方法可以用于各种应用,包括(而不限于)光电器件、半导体器件封装、光电池、MEMS器件、及其他。
[0038]根据本发明的某些实施方式,自支撑膜可以与块状材料分开。在一个实施方式中,具有10 μπι或者更大的厚度的诸如单晶GaN的半导体材料的自支撑层,可以利用高能注入从块状铸锭裂化。以此方式使铸锭裂化显著地减少在传统的刀片切割过程中损失在切口中的半导体材料的量。除了提高裂化行为的效率之外,管理诸如离子剂量和温度曲线图的参数对限制和控制分开的材料的照射损伤也很重要。产生的裂化的自支撑膜可以特别适于在例如LED或者激光器件的照明中使用。
[0039]为了以下的公开内容,“自支撑膜”或者“自支撑层”被定义为在没有与诸如手柄或者转移衬底的支撑构件接触的情况下,可以保持其结构一致性(即,没有粉碎或者分裂)的材料的膜。通常,非常薄的膜(例如,比约5 μπι至10 μπι更薄的GaN膜)不能在不被折断的情况下操作。传统地,使用支撑结构来操纵这种薄膜,还可能首先需要支撑结构来生成薄膜。通过使用支撑可以促进厚的膜(即,具有10 μπι至50 μπι之间的厚度的GaN膜)的操作,但是这种支撑不是强制性的。因此,本发明的实施方式涉及具有大于10 μ m的厚度的自支撑膜的制作。还为了以下公开内容,可交换地采用术语“衬底”和“平铺”。
[0040]根据本发明的实施方式不局限于形成自支撑膜。替换实施方式可以包括由衬底支撑的膜的形成。而且,不管用于各种应用的膜是否是真正地独立或者在处理期间利用操作或者转移衬底支撑,处理的器件常常作为照明模块的组成部分安装在诸如用于最终应用的金属底座的机械接口上。
[0041]还为了以下公开内容,“块状材料”是指以块状形式存在的材料。这种块状材料的示例包括基本上圆形的铸锭或者原生的单晶GaN的晶锭、或者侧面被削刮以展现不同于基本上圆形的截面轮廓的长大的单晶GaN铸锭。下文描述块状材料的其他示例。
[0042]在具体的实施方式中,本方法可以连续地应用于从单个铸锭,例如,GaN晶锭裂化多个自支撑层切片或者裂化安装在合适的衬底诸如金属底座衬底上的GaN的厚度。S卩,可以重复方法以根据具体的实施方式连续地裂化切片(与从烤面包切割面包片相似)。当然,可存在其他变更、修改以及替换物。
[0043]图1示出根据实施方式的过程流程100的一个示例。在该过程流程的第一步骤102中,提供了包括块状形式的GaN作为铸锭的施体衬底。虽然在该【具体实施方式】中,施体衬底包括GaN,但是这不是必需的。根据各种实施方式的施体衬底可以是硅片、锗片、硅锗材料、碳化硅轴承材料、基团III/V化和物、任何其组合、及其他。
[0044]在可选择的步骤104,可以抛光GaN铸锭的表面,例如当铸锭已在先前层转移过程中重复使用时。在步骤106,GaN铸锭经受加速粒子的注入以形成裂化区域。在某些实施方式中,该裂化区域可以位于在块状材料的表面下面约1um至20um之间的深度处。裂化区域的形成依据这些因素,如目标材料、目标材料的结晶取向、注入的粒子的性质、剂量、能量、注入的温度、和注入的方向。下文进一步详细地论述这种注入,并且可以共享结合以下专利申请详细地描述的一个或多个特征,所有的专利申请通过引用将其全部合并于此:美国专利申请N0.12/789,361 ;美国专利申请N0.12/730, 113 ;美国专利申请N0.11/935,197 ;美国专利申请N0.11/936,582 ;美国专利申请N0.12/019, 886 ;美国专利申请N0.12/244,687 ;美国专利申请N0.11/685,686 ;美国专利申请N0.11/784,524 ;美国专利申请 N0.11/852,088。
[0045]在可选择的下一步骤108中,注入的块状材料的表面粘结至衬底,该衬底可以是操作衬底。该粘结在本质上可以是暂时的,或者可以是更持久的。粘结可以采用包括(而不限于)静电粘结、等离子体粘结、基于从表面粗糙度出现的原子间力的粘结、粘合剂、或者其他的技术。可以使用的可能的粘结技术的一个示例是热压粘结。可能的粘结技术的另一示例是等离子体激活粘结(PAB)。
[0046]可以利用组合的一种或多种技术实现可去除粘结。一种这样的技术是使用薄的插入层(例如氧化硅),即随后牺牲以达到分离。还可以基于某些粗略的方式实现可除粘结,例如由 Cui 等人在“The Effect of Surface Roughness on Direct Wafer Bonding”中公开的,Journal of Applied Physics, Vol.85, N0.10,pp.7448-7454 (1999),为了所有目的通过引用将其全部合并于本文中。
[0047]操作衬底可以是玻璃、石英、聚合、金属或者合金,或者其他复合材料等。在其他实施方式中,操作衬底可以是任何均匀的、分等级的、或者多层材料,或者任何这些的组合。即,操作衬底可以由几乎任何单晶、多晶、或者甚至无定形类型的衬底制成。衬底可由SiC制成。另外地,衬底可以由诸如砷化镓、氮化镓(GaN)、及其他的III/V材料制成。另外,操作衬底可以是金属或者合金、碳化硅、锗、硅、玻璃或者石英组合、塑料、和聚合物。
[0048]可以提供背面衬底以增加操作衬底结构的硬度。
[0049]优选地,背面衬底具有足以提供由至少背面衬底和操作衬底组成的多层结构的有效的偏转特性以适合于来自施体衬底的GaN轴承材料的在操作衬底的正面上转移的厚度的厚度和材料。仅作为示例,背面衬底可以是用于石英操作衬底的硅片。其他类型的材料和某些厚度诸如塑料、金属、玻璃、石英、复合材料等可用于向结合的背面和操作衬底结构提供硬度。当然,本领域普通技术人员将认识到其他变化、修改和替换物。
[0050]在下一步骤110,使用裂化区域从块状材料裂化块状材料的注入的表面的材料的厚度。在某些实施方式中,使用MeV范围内的相对高的H+质子注入能量,这产生厚度在约1um至20um之间的半导体材料的分离层。在使用粘结层转移的其他实施方式中,可以使用0.05um至Ium的更薄的裂化层。为了产生这些厚度的GaN裂化膜,可以使用近似5keV至180keV范围内的较低的H+质子注入能量。例如,40keV H+质子能量将产生厚度为近似0.25um的GaN裂化膜。应理解的是,可以利用H2+用于该注入步骤。在此情况下,剂量率将是双倍,而有效的H+能量将减半。例如,80keV H2+注入可以具有与40keV H+注入相同的分离层厚度(范围)。然而,剂量率将使用于相同的注入电流的H+剂量率成双倍。
[0051]裂化可以利用各种形式的能量的应用进行,并且可以展现在通过以上引用合并的任何专利申请中公开的一个或多个特征。在【具体实施方式】中,可以在包含注入的块状材料的高压腔中利用以静态气体的形式应用的压缩力进行该裂化。还在为了所有目的通过引用合并在本文中的美国专利N0.6,013,563中描述了以各种形式应用能量以实现根据【具体实施方式】的裂化。
[0052]如结合以下图形和下文更详细地描述,裂化处理可以本身包括一个或多个步骤。图1A至图1D示出根据某些实施方式的控制裂化处理的简化视图。
[0053]图1A示出在裂化之前注入的块状材料102,在【具体实施方式】中,注入的块状材料可以是GaN。裂化区域101位于表面103以下的深度d处。
[0054]图1B示出第一裂化步骤,其中,向裂化发起区域105应用能量,引起裂化的启动。这种裂化发起步骤的示例是以光子束109(例如来自激光器)的形式的能量的施加。该传递能量引起如所示的裂化的启动。
[0055]图1C示出第二裂化步骤,其中,额外的能量111的施加导致裂化在裂化区域中的传播。裂化的继续传播使材料的厚度从块状材料分离。
[0056]应注意,在某些应用中,块状材料可以对光能的传输展现出显著的透明性。因此,为了将能量从入射光束递送至裂化发起区域,如在图1D中所示,可以提供吸收入射光子的薄重叠层113。该层113的吸收将生成热量,反过来,热量通过块状材料传输至裂化启动区域。该光吸收材料可以是任何材料,并且在某些实施方式中可以包括SiC。在一些实施方式中,一旦出现所希望的裂化发起,可以去除光吸收材料。在某些实施方式中,在如下所述的一个或多个额外的处理步骤期间可以保留光吸收材料。
[0057]虽然上文已描述能量以入射光束的形式的应用来实现裂化,但是这不是必须需要的。替换实施方式可以应用其他形式的能量用于裂化目的,包括(而不限于)衬底的整体或者局部加热、完全或者部分来自加热灯、电子束、或者以及与粒子的注入相关联的热能。
[0058]返回至图1,在过程的下一步骤112中,抛光裂化材料在衬底上的暴露表面以减少由任何裂化过程产生的粗糙。抛光的裂化材料和在下面的衬底的组合然后可以作为增值材料转移用于进一步处理并且合并入光电器件。
[0059]虽然上文描述引用利用抛光的表面处理,但是这在所有的实施方式中不是必需的,并且替换方法可以采用抛光与其他表面处理,或者不包括抛光的平滑面处理结合。例如,根据一些实施方式,表面处理可包括退火。在【具体实施方式】中,可以在存在覆盖层,例如包括AlN或者Si02的情况下进行退火。退火可以在熔炉(例如,通常存在顶盖层)中执行,或者可以在MOCVD腔(例如,不存在顶盖层)内执行。
[0060]表面处理(例如,包括抛光、退火、和/或顶盖层形成)还可以包括蚀刻过程。蚀刻过程的示例可以包括(但不限于)等离子体蚀刻、和/或化学蚀刻。化学辅助离子束蚀刻是化学蚀刻类型的一个示例。湿式化学蚀刻是化学蚀刻的另一示例。
[0061]以上序列的步骤提供根据本发明的某些实施方式的方法。还可以提供其中可以添加步骤、可以去除一个或多个步骤、或者一个或多
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