专利名称：利用固体激光器无损剥离GaN与蓝宝石衬底的方法
技术领域：
本发明涉及激光剥离制备GaN衬底及器件的方法，具体地说，涉及应用固体激光 器，并改进了打标方式方法，以实现无需对版的盲打方法，使得GaN和蓝宝石衬底分离，从 而实现GaN衬底及器件的制备。
背景技术：
以GaN以及InGaN， AlGaN为主的III/V氮化物是近年来备受关注的半导体材料， 其1.9-6. 2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特 性，使其成为激光器，发光二极管等等光电子器件的最优选材料。 然而，由于GaN本身生长技术的限制，现今的大面积GaN材料大多生长在蓝宝石衬 底上。虽然蓝宝石衬底上生长的GaN质量很高，应用也最广，可是由于蓝宝石的不导电及较 差的导热特性，极大的限制了GaN基半导体器件的发展。为了回避这一劣势，蓝宝石生长 GaN基器件后，将蓝宝石去除，并更换高导热、高导电的Si， Cu等衬底的方法被发明了。在 蓝宝石去除的过程中，主要应用的方法就是激光剥离技术。 激光剥离技术就是使用能量小于蓝宝石带隙，但大于GaN带隙的激光光源，透过 蓝宝石衬底辐照蓝宝石_氮化镓连接处的GaN层，通过此处的GaN吸收激光能量产生高温 时，此处的GaN分解为金属镓和氮气，从而实现GaN和蓝宝石衬底分离的方法。
传统的激光剥离技术都是使用大光斑(光斑周长大于1000微米)依次排布，逐片 剥离的方法来实现GaN基器件与蓝宝石衬底的分离。这种大光斑剥离技术的缺点是，由于 光斑面积内能量涨落较大，应力在边缘高度集中，因此造成了在光斑边缘处的GaN严重的 破损，如图l所示。其破损深度可从零点几个微米到几个微米不等，且不可避免。这样就严 重限制了 GaN基器件激光剥离的工艺。 目前，在此条件下制作的激光剥离GaN基器件的工艺大概为
(1)在蓝宝石上生长GaN基外延片； (2)将带有蓝宝石衬底的外延片制作为GaN基分立器件单元； (3)电镀或键合其他导热导电衬底； (4)应用激光剥离的方法将蓝宝石衬底去除。 在上述工艺中，为了避免大光斑边缘损伤对GaN基器件(通常有mm量级大功率 和Pm量级小功率两种类型多种尺寸)的损伤，大多采用的方法是用大光斑直接涵盖整个 一个或多个GaN基器件单元，而将光斑边缘留在GaN基器件单元之间的走道中，从而尽量避 免光斑边缘损伤。这样做的弊端是(l)要根据器件尺寸调整光斑面积；(2)激光扫描前要 反复对版，以保证光斑边缘在GaN器件单元之间的走道内；(3)需要实时视频跟踪检测，一 旦对版出现偏差，要立即停止回复对版。以上这些弊端造成了激光剥离工艺在大规模生产 应用上的极大障碍，极大复杂化了工艺，降低了效率，且增加了废品率(因激光对版出现偏 差，或扫描过程中出现偏差，从而使得边缘损伤加剧)。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种无需对版的盲打激光剥离方法，实现GaN和蓝宝石 衬底的无损剥离。本发明的技术方案如下 —种激光剥离GaN和蓝宝石衬底的方法，其特征是，以固体激光器为激光光源，使 用周长为3 1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点 逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变 弱。 本发明对原有激光剥离中的大光斑剥离技术做了改变，使用小光斑实现无需对版 盲打剥离GaN基器件的方法。小光斑方法一直未被提出有很重要的两点原因(1)普遍认为 小光斑剥离将把光斑边缘问题引入GaN基器件单元内部，从而更加降低激光剥离的质量； (2)尚未有单位实现小光斑的无损激光剥离。本发明采用的小光斑周长为3到1000微米， 且两个最远角距离或最长直径不超过400微米，优选周长为100到400微米，两个最远角距 离或最长直径不超过150微米。光斑的形状可为正方形、长方形、圆形、椭圆形、五边形、六 边形、七边形、八边形等。这样的小光斑例如边长为1 250微米的正方形光斑，直径为1 400微米的圆形光斑。同时本发明对单个光斑的激光能量分布做了调整，改变了原有光斑 内部的激光能量涨落状况。在现有技术中，大光斑内的能量是均匀的，在光斑边缘能量发生 骤变，故容易造成损伤，原有脉冲光斑能量分布如图2a所示，图中x轴表示光斑边长方向，y 轴表示能量大小，x轴零点位置对应光斑中心。在本发明中，我们改变了光斑内部的能量分 布状况，不再一味的追求能量均匀化，而是考虑了光斑边缘能量的渐变，能量分布可如图2b 所示。相对于大光斑，小光斑更容易实现光斑激光能量的渐变。正是由于强调了光斑边缘 区域的能量的渐变过程(从靠近光斑中心能量较强区到远离中心的能量较弱区的渐变)， 改善了 GaN基材料在光斑边缘的受力状况，从而实现了小光斑的无损激光剥离。
本发明所使用的固体激光器可以是改进的固体倍频激光光源，其改进在于改善了 光斑内部的激光涨落状况，以光斑中心为能量最高点，向四周能量逐渐变弱，整个光斑内部 能量呈高斯分布或近似高斯分布。 本发明实现了小光斑无损激光剥离(剥离表面如图3所示，没有明显损伤)，从而 实现了无需对版的盲打剥离方法。依据本发明方法改进了激光剥离扫描方式，在传统工艺 实现电镀或键合的步骤后，无需再根据GaN器件单元尺寸调整光斑面积，无需在开始时进 行对版工作，可直接进行激光扫描，中间无需停顿，无需实时检测。 与现有技术相比，本发明的有益效果是第一，极大的简化了激光剥离工艺过程； 第二，极大的提高了激光剥离的工作效率；第三，降低了废品率；第四，为激光剥离工艺产 业化扫清了障碍，推进了激光剥离的工业生产。
图1是大光斑激光剥离后在GaN上激光边缘处留下的损伤的照片。 图2a是现有技术中光斑内能量分布示意图；图2b是本发明技术方案的小光斑内
能量分布示意图。 图3是利用本发明小光斑剥离后的样品表面的照片。 图4是本发明实施例1激光剥离后的器件表面在放大500倍的显微镜下的照片。
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图5是本发明实施例2激光剥离后的器件表面在放大500倍的显微镜下的照片。
具体实施例方式
下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1 根据下列步骤激光剥离制作垂直结构的GaN基器件 (1)在蓝宝石上生长GaN基外延片，进一步制作为GaN基分立器件单元，然后在 GaN表面用Pd/In键合的方法键合上Cu片，其中，Pd使用溅射的方法镀200nm， In使用热 蒸发的方法蒸镀600nm，然后将镀好Pd/In金属的Cu片和GaN片在高温高压下键合，温度 200。C，压强1兆帕，时间20分钟; (2)将键合好的样品使用改进的固体倍频激光光源(YAG激光光源)剥离，激光能 量密度为600mj/cm、激光频率为20Hz，光斑大小为30微米见方，光斑中心间距30微米，在 样品的蓝宝石面使用激光进行逐点逐行扫描。 剥离完毕，蓝宝石衬底自然去处，剥离结果如图4所示，器件在放大500倍的显微
镜下照片显示，剥离表面均匀无损。
实施例2 根据下列步骤激光剥离制作垂直结构的GaN基器件 (1)在蓝宝石上生长GaN基外延片，进一步制作为GaN基分立器件单元，然后在 GaN表面用Pd/In键合的方法键合上Cu片，其中，Pd使用溅射的方法镀200nm， In使用热 蒸发的方法蒸镀600nm，然后将镀好Pd/In金属的Cu片和GaN片在高温高压下键合，温度 200。C，压强1兆帕，时间20分钟; (2)将键合好的样品使用改进的固体倍频激光光源(YAG激光光源)剥离，激光能 量密度为600mj/cm、激光频率为20Hz，光斑大小为100微米见方，光斑中心间距100微米， 在样品的蓝宝石面使用激光进行逐点逐行扫描。 剥离完毕，蓝宝石衬底自然去处，剥离结果如图5所示，器件在放大500倍的显微 镜下照片显示，剥离表面均匀无损。
权利要求
一种激光剥离GaN和蓝宝石衬底的方法，其特征在于，以固体激光器为激光光源，使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小光斑的周长为100-400微米，且两个 最远角距离或最长直径不超过150微米。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小光斑的形状是正方形、长方形、圆形、 椭圆形、五边形、六边形、七边形或八边形。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体激光器是固体倍频激光光源。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，以光斑中心为能量最高点，整个小光斑内部 的能量呈高斯分布或近似高斯分布。
全文摘要
本发明公开了一种利用固体激光器无损剥离GaN与蓝宝石衬底的方法，是以固体激光器为激光光源，使用周长为3～1000微米，且两个最远角距离或最长直径不超过400微米的小光斑进行逐点逐行激光扫描，其中小光斑内部的能量分布情况是光斑中心能量最强，向四周能量逐渐变弱。本发明实现了小光斑无损激光剥离，改进了激光剥离扫描方式，从而实现了无需对版的盲打剥离方法，简化了激光剥离工艺过程，提高了效率，降低了废品率，为激光剥离工艺产业化扫清了障碍。
文档编号H01L21/00GK101740331SQ20081022595
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者孙永健, 康香宁, 张国义, 杨志坚, 杨欣荣, 陈志忠 申请人:东莞市中镓半导体科技有限公司