专利名称：制作氮化镓系基板的方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化镓系基板的制造方法，特别是涉及一种厚度
不小500 u m的高质量氮化镓系基板的制造方法。
背景技术：
目前用于磊晶成长氮化镓系材料(gallium nitride-based)的发 光二极管所用的氮化镓系基板， 一般是利用磊晶基板磊晶成长后，再 配合激光剥离(Laser Lift-Off)技术所制作。
参阅图l，目前氮化镓系基板10的制作过程，是先选用例如碳化 硅(SiC)或蓝宝石(a-Al203)等晶格常数与氮化镓系材料相匹配的 材料所构成的基板作为磊晶基板11，接着利用例如有机金属化学气相 沉积法(MOCVD)磊晶成长厚度在2 10 u m的氮化镓系材料的薄膜12， 然后再以氢化物气相累积成长方式(HVPE)累积增厚至100um 300 ym左右而成为该氮化镓系基板10，最后，再利用高能量的激光作用 在磊晶基板11与氮化镓系基板10连结的界面(如图中箭号所示)，将 氮化镓系基板IO自磊晶基板ll表面剥离(Lift-0ff)，而制得氮化镓 系基板10。
当所需制作的氮化镓系基板10的厚度不大300 u m时，上述制作 氮化镓系基板10的制作方法不但可以制得适用的氮化镓系基板10，同 时还可以重复回收使用成本较高的磊晶基板11，而有效降低生产成本。
由于增加氮化镓系基板10的厚度，将可降低氮化镓系基板10的 缺陷密度，而当氮化镓系基板10增厚至5mm以上时，将可制得缺陷密 度小于106cm—2。因此，为了制得较低缺陷密度的氮化镓系基板IO，目 前业界倾向利用先制备较厚的氮化镓系基板10，再切割成所需的厚度。
随着所需氮化镓系基板10的厚度日益增加，累积增厚氮化镓薄膜 必须大于500um以上，甚至增厚成10mm，而目前虽然可以直接自磊晶 基板11向上磊晶出足够厚的氮化镓系基板10，但是却会在磊晶(温度
约在950。C)后的降温过程中，因二者的热膨胀变化不同，且磊晶基板 11的结构强度较大，而使得磊晶出的氮化镓系基板IO整片碎裂，更遑 论后续以激光剥离技术取得厚的氮化镓系基板10 了。
此外，此方法也有磊晶基板ll的晶格缺陷会直接向上延伸至所成 的氮化镓系基板10，进而影响以此氮化镓系基板10制作形成的发光二 极管的质量的缺点。
所以，目前业界需要一种可以制作厚的、且磊晶质量良好的氮化 镓系基板10的制作方法，以制作应用于生产发光二极管的氮化镓系基 板IO。
发明内容
本发明的目的是在提供一种低成本、高制程良率，并可得到高磊 晶质量的氮化镓系基板的制造方法。本发明制作氮化镓系基板的方法， 包含一个准备步骤、 一个凸块形成步骤、 一个横向磊晶步骤、 一个增 厚步骤，及一个温度变化步骤。
该准备步骤是准备一块用于磊晶成长氮化镓系材料的磊晶基板。
该凸块形成步骤是自该块磊晶基板向上形成多个呈现间隔散布且 主要由氮化镓系材料构成的凸块，该每一凸块具有一自该磊晶基板向 上形成的墩部，及一自该墩部向上形成的端部。
该横向磊晶步骤是自该多个凸块的端部横向磊晶成长形成一层连 接该多个凸块端部并与该磊晶基板、多个凸块的墩部共同界定出一空 间的氮化镓系材料的基础层。
该增厚步骤是累积增厚该基础层至不小于500 U m而成该氮化镓系 基板。
该温度变化步骤是自该增厚步骤实施的温度范围降温，使该氮化 镓系基板与磊晶基板释出热应力而破坏该多个凸块的墩部，进而使该 磊晶基板与该氮化镓系基板分离制得该氮化镓系基板。
本发明的有益效果在于先于磊晶基板上形成凸块后，再横向磊 晶形成与磊晶基板仅以凸块的墩部相连接且厚度、结构强度足够的氮 化镓系基板，进而可直接利用降温过程的温度变化而使所述墩部被破 坏，而分离磊晶基板与氮化镓硅基板，直接制得厚度超过500um的高
质量氮化镓系基板。
图1是一流程图，说明现有利用激光剥离技术制作氮化镓系基板
的方法；
图2是一流程图，说明本发明制作氮化镓系基板的方法的一第一 较佳实施例；
图3是一剖视示意图，说明图2说明的方法中，在一磊晶基板上 形成一层缓冲层；
图4是一剖视示意图，说明图2说明的方法中，在一缓冲层上形
成多个岛状的凸体；
图5是一剖视示意图，说明图2说明的方法中，在多个凸体块上 形成一层氮化硅的阻障层而成多个凸块；
图6是一剖视示意图，说明图2说明的方法中，自凸块端部进行 横向磊晶成长成一层基础层；
图7是一剖视示意图，说明图2说明的方法中，累积增厚该基础 层成一块氮化镓系基板；
图8是一剖视示意图，说明图2说明的方法中，凸块墩部因降温 过程的热应力影响而被破坏，分离开磊晶基板与氮化镓系基板而制得 该氮化镓系基板。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明
参阅图2，本发明制作氮化镓系基板40的方法的一第一较佳实施 例，适用制作厚度大于500 ii m的氮化镓系半导体材料(AlJnyGah-yN， x^0， y^0， 1-x-y>0)的氮化镓系基板40，用于后续磊晶制作发光二 极管。
首先进行准备步骤21，准备一块用于磊晶成长氮化镓系半导体材 料的蓝宝石(a-A1203)材料构成的磊晶基板41。事实上，磊晶基板 41的构成材料除了蓝宝石之外，也可以是碳化硅、氧化锌、氮化铝， 或是硅。
同时参阅图3，接着进行凸块形成步骤22，将磊晶基板41置入一 组反应器的承载盘(图未示)上，接着加热承载盘至60(TC，继而于反 应器中通入硅烷(SiH4，流量为40 sccm)和氨气(NH3，流量为40 slm)， 使硅垸与氨经由化学反应在该磊晶基板41表面生成一厚度大于1A的 氮化硅材料的缓冲层42 (buffer layer);再如图4所示，通入氢气并 升高温度至IIO(TC进行高温退火处理(annealing);然后降温至800 。C的成长温度，通入流量50 sccm的三甲基镓(Trimethylgallium， TMGa(g)，即含有镓的有机金属气体)与20 slm的氨气，并同时通入 流量0. 5 sccm的硅垸，而在该缓冲层42上成长出多个分别独立分部 的岛状的氮化镓系材料的凸体43;再请配合参阅图5，然后于反应器 中通入硅垸(流量为40sccm)，并维持氨气的供应，使硅垸与氨气在所 述凸体43表面形成一层厚度大于1A的氮化硅材料的阻障层44，而形 成多个分别具有一自该缓冲层42向上形成的墩部451，及一自该墩部 451更向上形成的端部452的凸块45。
在此需说明的是，此步骤主要是应用有机金属化学气相沉积法以 含镓的有机金属气体与氨气进行；未通入硅垸时，仍可生成所述凸块 45，但生成的凸块45的高宽比会降低；此外，此步骤也可以采用氢化 物气相沉积成长方式进行，由于这些磊晶成长方式的详细过程已为业 界所知悉，且并非本发明重点所在，故在此不再多加详述。
参阅图2、图6，接着进行横向磊晶步骤23，在约100(TC的温度 下(大于90(TC即可)，通入流量120 sccm的三甲基镓与20slm的氨气， 以及20slm的氢气，自上述凸块45端部452以如图中所示的箭头方向 进行横向磊晶成长而将该多个凸块45端部452连接起来，形成一层厚 度在数mm左右并与该磊晶基板41、多个凸块45的墩部451共同界定 出一个空间46的基础层47。
参阅图2、图7，继续进行增厚步骤24，利用氢化物气相沉积成长 的方式磊晶增厚该基础层47至不小于500mm，使其具有足够的结构强 度而成为厚的、可实际用于磊晶制作发光二极管的氮化镓系基板40。
参阅图2、图8，最后进行温度变化步骤25，自实施增厚步骤时的 温度(约在900。C 110(TC)，以自然降温至常温，而使借由多个凸块 45墩部451连结的磊晶基板41与氮化镓系基板40释出热应力，进而
使得该多个凸块45的墩部451被磊晶基板41与氮化镓系基板40彼此 形变拉扯而破坏，分离开磊晶基板41与氮化镓系基板40，制得厚度不 小于500mm的氮化镓系基板40。事实上，降温过程的速率并不限于自 然降温，3tV分 10(TC/分的降温速率均可以破坏敦部451而分离得 到氮化镓系基板40。
需要另外说明的是，在本实施例凸块形成步骤22中，在磊晶基板 上先形成一层缓冲层42，以及于形成的凸体43再形成一层阻障层44 的过程是可以省略的，而不会对所制作出的氮化镓系基板40产生重大 的质量影响。
由上述说明可知，以本发明的方法制作氮化镓系基板40时，由于 只自凸块45端部452进行横向磊晶成长，所以可以有效降低自该磊晶 基板41或缓冲层42的晶格缺陷直接向上延伸的问题，而得到缺陷密 度约仅为106 108 cm—2、甚至更低的氮化镓系基板40 (以500um为厚 度基准比较)，进而可以大幅提升以此氮化镓系基板40磊晶制作发光 二极管时，制得的发光二极管的品质。
更重要的是，本发明不但可借着自凸块45.端部452进行横向磊晶 成长，进而磊晶出厚度不小于500um (当厚度足够厚时同时也意味着 结构强度足够)且高质量(缺陷密度低)的氮化镓系基板40，更可以 借着连结磊晶完成的磊晶基板41与氮化镓系基板40的凸块45墩部 451，吸收来自降温过程中磊晶基板41与氮化镓系基板40释出的热应 力而被破坏，而在保持磊晶基板41与氮化镓系基板40完整的状况下， 直接分离开磊晶基板41与氮化镓系基板40，制得完整的氮化镓系基板 40，解决目前业界无法磊晶制作厚度不小于500 u m的氮化镓系基板11 的困扰。
本发明制作氮化镓系基板40的方法的一第二较佳实施例，是与上 例相似，其不同处仅在于该凸块形成步骤22的施作过程而已，以下仅 针对此过程作详细的说明。
在本实施例中的凸块形成步骤是在反应器中以600。C(50(TC 700 'C均可)的成长温度和氨气流量20slm下，于磊晶基板表面覆盖式地 成长一层由氮化镓系半导体材料所构成且厚度大于100A的转变层，接 着升高温度至95(TC (90(TC 110(TC均可)，且控制氨气流量在6 slm，
而使长成的转变层因为气氛转变与温度改变而改变型态，从层状转变
成多个间隔散布的岛状凸体；继而于反应器中通入硅垸(流量为 40sccm)，同时维持氨气的供应，而在所述凸体上形成一层厚度大于1A 并包覆所述凸体的氮化硅的阻障层，而形成多个分别具有墩部与自墩 部向上形成的端部的凸块。
类似地，在本实施例的凸块形成步骤中，也可以在磊晶基板上先 形成一层氮化硅的缓冲层后再形成一层岛状凸块；形成阻障层的步骤 也可省略，借以简化制程、降低生产成本。
此外，横向磊晶步骤也可以采用氢化物气相成长的方式进行，而 与的后的增厚步骤形成连续的制程，以縮减实施过程的复杂度。
归纳上述，本发明制作氮化镓系基板40的方法，主要是在磊晶基 板41上形成多个岛状的凸块45，再利用横向磊晶成长的方式，形成利 用凸块45墩部451与磊晶基板41连结的足够厚的氮化镓系基板40， 借此降低晶格缺陷直接向上延伸的机率，而可以大幅降低所成的氮化 镓系基板40的缺陷密度，进而可提升以此氮化镓系基板40制作的发 光二极管的元件质量。同时，借着这些连结磊晶基板41与成型的氮化 镓系基板40的多个凸块45墩部451吸收二者所释出的热应力形变而 被破坏，而可以保障氮化镓系基板40的完整，并可以在磊晶完成后的 降温过程自然地因为墩部451被破坏而分离开磊晶基板41与氮化镓系 基板40，得到完整的氮化镓系基板40，确实改善目前磊晶制作厚度较 大的氮化镓系基板10时，因为磊晶而成的氮化镓薄膜12与磊晶基板 11对热应力释放的能力不同，而导致整层氮化镓薄膜12碎裂、根本无 法制得氮化镓系基板10的问题，确实达到本发明的创作目的。
权利要求
1.一种制作氮化镓系基板的方法；其特征在于，包含一个准备步骤，准备一块用于磊晶成长氮化镓系材料的磊晶基板，一个凸块形成步骤，自该块磊晶基板向上形成多个呈现间隔散布且主要由氮化镓系材料构成的凸块，该每一凸块具有一自该磊晶基板向上形成的墩部，及一自该墩部向上形成的端部，一个横向磊晶步骤，自该多个凸块的端部横向磊晶成长形成一层连接该多个凸块端部并与该磊晶基板、多个凸块的墩部共同界定出一空间的氮化镓系材料的基础层，一个增厚步骤，累积增厚该基础层至不小于500微米而成该氮化镓系基板，及一个温度变化步骤，自该增厚步骤实施的温度范围降温，使该氮化镓系基板与磊晶基板释出热应力而破坏该多个凸块的墩部，进而使该磊晶基板与该氮化镓系基板分离制得该氮化镓系基板。
2. 如权利要求1所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该温度变化步骤是以3'C/分 10(TC/分的降温速率降温至常温。
3. 如权利要求2所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于该凸块形成步骤是先在该磊晶基板表面形成一层厚度在大于lA的氮化硅材料的缓冲层，再于该缓冲层表面向上形成多个呈现间隔散布的氮化镓系材料的凸体，然后再于该多个凸体表面形成一层厚度在大于lA的氮化硅材料的阻障层，而使该凸体与形成的阻障层构成该凸块。
4. 如权利要求3所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于该多个凸体是以有机金属化学气相沉积法以氨气以及含镓的有机金属 气体形成，且该缓冲层与该阻障层是以硅烷与氨气反应生成。
5. 如权利要求4所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于该磊晶基板的材料是选自于蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化铝，或硅， 且该氮化镓系材料的化学式为AlxInyGai-x-yN， x^0， y^0， l_x-y〉0。
6. 如权利要求5所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该横向磊晶步骤是在大于90(TC的温度下，以氨气以及含镓的有机金属 气体由该多个凸块的端部横向磊晶形成该基础层，且该增厚步骤是以 氢化物气相累积成长方式进行。
7. 如权利要求5所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该横向磊晶步骤与该增厚步骤都是以氢化物气相累积成长方式进行。
8. 如权利要求2所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该凸块形成步骤是先在50(TC 70(TC及预定氨气分压下生成一层厚度 在大于IOOA的氮化镓系材料的转变层，接着升高温度至900°C 1100 °C，并控制氨气的分压低于生成该转变层时的氨气分压，而使该转变 层转成多个呈现间隔散布的氮化镓系材料的凸体，然后再于该多个凸 体表面以硅烷与氨气反应生成一层厚度在大于1A的氮化硅材料的阻障 层，而使该凸体与形成的阻障层构成该凸块。
9. 如权利要求8所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该磊晶基板的材料是选自于蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化铝，或硅， 且该氮化镓系材料的化学式为<formula>formula see original document page 3</formula>
10. 如权利要求9所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该横向磊晶步骤是在大于90(TC的温度下，以氨气以及含镓的有机金属 气体由该多个凸块的端部横向磊晶形成该基础层，且该增厚步骤是以 氢化物气相累积成长方式进行。
11. 如权利要求9所述的制作氮化镓系基板的方法，其特征在于 该横向磊晶步骤与该增厚步骤都是以氢化物气相累积成长方式进行。
全文摘要
一种制作氮化镓系基板的方法，先进行准备步骤准备一块磊晶成长氮化镓系材料的磊晶基板，接着以凸块形成步骤自磊晶基板向上形成多个呈现间隔散布且主要由氮化镓系材料构成的凸块，再以横向磊晶步骤自凸块端部横向磊晶成长形成一层基础层，然后以增厚步骤累积增厚基础层至不小于500μm而成该氮化镓系基板，最后以温度变化步骤，自实施增厚步骤的温度范围降温而使该氮化镓系基板与磊晶基板释出热应力进而破坏该多个凸块的墩部，进而直接分离磊晶基板与氮化镓系基板，得到厚度在500μm以上的氮化镓系基板。
文档编号H01L21/205GK101355122SQ20071013913
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月26日 优先权日2007年7月26日
发明者陈政权 申请人:新世纪光电股份有限公司