专利名称：一种蓝宝石图形衬底激光剥离的方法
技术领域：
本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种蓝宝石图形衬底激光剥离的方法。
背景技术：
蓝宝石晶片目前广泛用作III-V族LED器件氮化物外延薄膜的衬底，然而由于氮化物和蓝宝石大的晶格失配和热膨胀系数的差别，使得在衬底上生长的氮化物材料位错和缺陷密度较大，影响了器件的发光效率和寿命。图形化衬底(PSS)技术可以有效地减少外延材料的位错和缺陷，在氮化物器件制备中得到了广泛的应用。PSS(Patterned Sapphire Substrate)蓝宝石图形衬底，即通过先在蓝宝石衬底上生长掩膜，并通过光刻工艺将掩膜刻出图形，然后利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长外延层；然后在Si或Cu支撑衬底作用下，激光剥离蓝宝石衬底。剥离 过程中，通过采用激光照射蓝宝石背面，从边缘逐渐向内部照射，将键合至Si或Cu支撑衬底上的外延片整片从蓝宝石上剥离。但是剥离过程中产生的氮气不能及时排出，过高的氮气气压将导致外延片破片的现象。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的蓝宝石衬底剥离过程中导致外延片破片的技术问题。本发明提供了一种蓝宝石图形衬底激光剥离的方法，包括以下步骤
a.采用光刻胶对蓝宝石衬底表面进行光刻显影，形成所需形状的掩模；
b.对经过步骤a的蓝宝石衬底进行感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀条件包括50胃<物理轰击电极功率< 180W，400W彡化学反应电极功率< 850W ；
c.对经过步骤b的蓝宝石衬底进行清洗，去除掩膜；烘干后进行金属有机物化学气相沉积，在蓝宝石衬底上形成外延层；
d.在外延层上表面键合Si或Cu基板，激光剥离去除蓝宝石衬底。本发明提供的蓝宝石图形衬底激光剥离的方法，通过改变感应耦合等离子体(ICP)刻蚀的工艺条件，具体包括增大化学反应电极功率，并同时减小物理轰击电极功率，增大蓝宝石衬底被刻蚀图形区域底部的沟槽，一方面使后续外延片横向生长，改善应力分布，减少外延层中位错密度；另一方面，增大底部的氮气出气孔，便于剥离过程中产生的氮气及时排除，从而有效防止蓝宝石衬底剥离过程中的外延片破片现象的发生。
图I是对蓝宝石衬底进行光刻显影的示意图。图2是ICP刻蚀蓝宝石衬底后的结构示意图。图3是蓝宝石衬底表面清洗去除掩膜后的结构示意图。图4是蓝宝石衬底表面生长外延层的结构示意图。
图5是外延层上键合支撑衬底后的结构示意图。图6是激光剥离后外延层与支撑衬底的结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供了一种蓝宝石图形衬底激光剥离的方法，包括以下步骤
a.采用光刻胶对蓝宝石衬底表面进行光刻显影，形成所需形状的掩模；
b.对经过步骤a的蓝宝石衬底进行感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀条件包括50胃<物 理轰击电极功率< 180W，400W彡化学反应电极功率< 850W ；
c.对经过步骤b的蓝宝石衬底进行清洗，去除掩膜；烘干后进行金属有机物化学气相沉积，在蓝宝石衬底上形成外延层；
d.在外延层上表面键合Si或Cu基板，激光剥离去除蓝宝石衬底。具体地，如图I所示，先在蓝宝石衬底I上覆盖光刻胶，然后进行光刻显影，去除部分光刻胶，得到具有所需形状的光刻胶层即掩膜2。本发明中，所采用的光刻胶可为现有技术中各种常见的含有树脂、感光剂和溶剂的混合物。其中，树脂、感光剂和溶剂的种类为本领域技术人员所公知。例如，树脂可采用现有技术中常见的各种丙烯酸类共聚物，具体地，可采用甲基丙烯酸树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸酯树脂、聚酯丙烯酸酯树脂、聚醚丙烯酸酯树脂、聚丙烯酸丙酯树脂中的一种或多种。所述感光剂可采用各种叠氮醌类化合物，例如偶氮二异丁腈(AIBN)、I，2- 二叠氮醌-4-磺酸酯、I，2- 二叠氮-5-磺酸酯或I，2- 二叠氮醌_6_磺酸酯。所述溶剂可选自乙酸丙二醇单甲基醚酯、环己酮、乳酸乙酯中的至少一种。本发明中，所述光刻胶可直接采用各种商购产品，例如可以采用AZ703。所述光刻显影的步骤包括将表面覆盖有光刻胶的蓝宝石衬底置于紫外光下进行辐射，其中紫外光辐射区域的光刻胶层在显影后被保留，未辐射区域被显影去除，从而在蓝宝石衬底表面形成具有特定所需形状的掩膜。优选情况下，曝光剂量为120-160mj/cm2。所述掩膜的形状可根据要形成的图形进行控制，例如可以为圆形、方形或条纹状，本发明没有特殊限定。光刻显影完成后，然后对蓝宝石衬底进行ICP刻蚀。ICP刻蚀过程中，未被掩膜2遮盖区域的蓝宝石衬底I被刻蚀，掩膜2遮盖区域未被刻蚀形成岛状区域11，从而在蓝宝石衬底I上形成刻蚀图形，同时刻蚀图形底部产生沟槽12，如图2所示。本发明中，通过改变刻蚀条件，即通过增大化学反应电极功率同时减小物理轰击电机功率，可以增大刻蚀图形底部的沟槽12的面积，一方面使后续外延片3横向生长，改善应力分布，减少外延层3中位错密度；另一方面，增大底部的氮气出气孔，便于剥离过程中产生的氮气及时排除，从而有效防止蓝宝石衬底剥离过程中的外延片破片现象的发生。具体的，本发明中，50 物理轰击电极功率< 180W，400W彡化学反应电极功率< 850W。所述ICP刻蚀通过ICP刻蚀设备进行，例如可以采用北方微电子公司开发的ELEDE 330高密度等离子体ICP刻蚀机。本发明中，由于蓝宝石(Al2O3)衬底中Al-O键的键能较大，因此ICP刻蚀采用的气体为BCl3与Cl2的混合气体，混合气体的流量为40-55sccm。混合气体中，主刻蚀气体为BCl3，其分解产生的Cl可以与Al2O3发生化学反应，刻蚀机理如下式所示。
BCl3 — BClx + Cl (x=0，1,2)
Al2O3 + BCl3 — Al + BOCly + Cl (y=l，2，3)
Al2O3 + BClx — Al + BOClz + Cl (z=l，2，3)Cl + Al — AlCl3
混合气体中的Ci2会分解产生cr、cr和Cl，其中Cl+能促进icp刻蚀过程中的物理轰击；另外，Cl2的存在能减弱活性氯原子相互结合的几率，保证ICP刻蚀过程中刻蚀离子的浓度。优选情况下，混合气体中，BCl3的流量为32-40SCCm，Cl2的流量为8-15sCCm。本发明中，刻蚀条件还包括压力为2-8mTorr，刻蚀时间为3-10min。ICP刻蚀的温度无需过高，优选情况下，刻蚀温度为20-130°C。根据本发明的方法，ICP刻蚀完成后，对蓝宝石衬底进行清洗。清洗的主要作用用于除去蓝宝石衬底I岛状区域11上覆盖的掩膜2，清洗后的蓝宝石衬底I的结构如图3所示，清洗去除掩膜2后有利于后续外延层3的生长。所述清洗的方法为本领域技术人员所公知，其根据ICP刻蚀温度不同而不同。例如，ICP刻蚀温度低于130°C时，则清洗过程仅需将蓝宝石衬底浸泡于丙酮溶液中超声清洗即可除去掩膜。若ICP刻蚀温度高于130°C，掩膜在ICP刻蚀过程中碳化，则难以用丙酮溶除，此时须将蓝宝石衬底先在600-800°C下退火，然后浸泡于含有浓硫酸和双氧水的混合溶液中进行超声清洗以溶除碳化后的掩膜。清洗完成后，烘干所述蓝宝石衬底。然后，将蓝宝石衬底进行金属有机物化学气相沉积，在蓝宝石衬底I上形成外延层3，如图4所示。所述金属有机物化学气相沉积的方法为本领域技术人员所公知，包括将蓝宝石衬底置于MOCVD (金属有机物化学气相沉积)反应腔体中，从而在蓝宝石衬底上形成外延层。本发明中，由于经过ICP刻蚀的蓝宝石衬底I表面具有岛状区域11，因此外延层3在生长过程中主要为横向生长，可以降低外延层3与蓝宝石衬底I界面处由于激光照射而产生的应力，减少后续剥离过程中外延片的损伤。本发明中，衬底为蓝宝石，因此形成的外延层优选采用氮化镓(GaN)。GaN为宽禁带(3. 4eV)直接带隙半导体材料，通过适当掺杂可实现整个可见光谱的发光。具体地，金属有机物化学气相沉积的步骤包括将ICP刻蚀后的蓝宝石衬底置于MOCVD反应腔体中，反应气体采用三甲基镓(TMGa)和NH3的混合气体，载气采用H2，先在520°C下在蓝宝石衬底上生长第一层，然后在1000-106(TC下在第一层上继续生长第二层，形成所述外延层。MOCVD反应腔体中压强为lOOtorr。优选情况下，生长第一层时三甲基镓的流量为40-120iimol/min，NH3的流量为0. 1-0. 3mol/min ;生长第二层时三甲基镓的流量为40-120 y mol/min，NH3的流量为0. 2-0. 6mol/min。更优选情况下,第一层的厚度为20_25nm,第二层的厚度为2 y m。形成外延层3后，然后在外延层3的上表面键合支撑衬底4，如图5所示。所述支撑衬底4的材料为本领域技术人员所公知，例如可以为Si或Cu基板。所述键合的步骤为本领域技术人员所公知，本发明中不再赘述。键合完成后，还需将键合后的体系置于真空室中抽走气泡，以保证外延片3与支撑衬底4之间均匀无空洞的紧密接触。最后，采用激光照射剥离蓝宝石衬底1，将附着于支撑衬底4上的外延片3从蓝宝石衬底I上整片剥离，剥离后外延片3与支撑衬底4的结构如图6所示。激光照射时可从蓝宝石衬底I的底部向上照射，也可从支撑衬底4的上方向下照射。本发明中，由于蓝宝石衬底I上形成有岛状区域11，因此外延层3与蓝宝石衬底I的结合部分较少；另外，刻蚀图形底部具有较大的沟槽12，能及时排除剥离过程中产生的氮气，因此剥离过程中不会产生外延片破片的现象，另外还能降低激光能量，即本发明中采用较低能量的激光束即可实现蓝宝石衬底I的剥离。本发明中，激光照射时刻采用常见的各种激光器，例如可以采用KrF准分子激光器。优选情况下，激光剥离的条件包括激光波长248nm、能量密度400mJ/cm2，光斑尺寸为O. 5mmX O. 5mm,脉冲宽度为30ns,照射时间为5_10s。以下结合实施例对本发明作进ー步说明。实施例I
(1)在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶AZ703，然后置于紫外光下进行曝光，曝光剂量为 150mj/cm2,形成具有条纹状掩膜。
(2)将表面具有条纹状掩膜的蓝宝石衬底置于ELEDE 330高密度等离子体ICP刻蚀机中进行ICP刻蚀，刻蚀条件为
反应室温度为120°C，压カ为5mTorr，刻蚀气体为BCl3与Cl2的混合气体(其中BCl3的流量为36SCCm，Cl2的流量为9SCCm)，物理轰击电极功率为150W，化学反应电极功率为600W，刻蚀时间为5min。
(3)ICP刻蚀完毕后，将上述蓝宝石衬底浸泡到丙酮溶液中，超声清洗5min，并烘干。
(4)将上述蓝宝石衬底置于MOCVD反应腔体中，采用TMGa和NH3作为反应气体，载气为H2，先在520°C下生长厚度为25nm第一层GaN层(TMGa流量为40 μ mol/min, NH3流量为O. lmol/min);然后升高温度至1050°C，继续生长厚度为2 μ m第二层GaN层(TMGa流量为40 μ mol/min, NH3流量为O. 2mol/min),从而形成GaN外延层。
(5)在外延片的上表面键合Si基板，并置于真空室中抽走气泡，然后采用KrF准分子激光器照射蓝宝石衬底的底面，照射条件为激光波长为248nm，能量密度400mJ/cm2，光斑尺寸为O. 5mmX O. 5mm，脉冲宽度30ns，照射时间7s,同时将外延片连同Si基板从蓝宝石衬底上剥离，剥离过程中外延片无破片现象。实施例2
采用与实施例I相同的步骤进行，不同之处在于步骤(2)中，物理轰击电极功率为50W，化学反应电极功率为850W，刻蚀时间为5min。实施例3
采用与实施例I相同的步骤进行，不同之处在于步骤(2)中，物理轰击电极功率为170W，化学反应电极功率为450W，刻蚀时间为5min。实施例4
采用与实施例I相同的步骤进行，不同之处在于
步骤(2)中，反应室温度为180°C ；
步骤(3)中，将蓝宝石衬底于700°C下退火，然后置于含有98wt%的浓H2SO4和H2O2 (体积比为15 1)的混合溶液中超声清洗5min，烘干。对比例I
采用与实施例I相同的步骤进行，不同之处在于物理轰击电极功率为180W，化学反应电极功率为400W，刻蚀时间为5min。性能测试
重复实施例1-4和对比例I的步骤100次，记录剥离后的外延片的良品率，结果如表I所示。
表I
权利要求
1.一种蓝宝石图形衬底激光剥离的方法，其特征在于，包括以下步骤 a.采用光刻胶对蓝宝石衬底表面进行光刻显影，形成所需形状的掩模； b.对经过步骤a的蓝宝石衬底进行感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀条件包括50胃<物理轰击电极功率< 180W，400W <化学反应电极功率彡850W ； c.对经过步骤b的蓝宝石衬底进行清洗，去除掩膜；烘干后进行金属有机物化学气相沉积，在蓝宝石衬底上形成外延层； d.在外延层上表面键合Si或Cu基板，激光剥离去除蓝宝石衬底。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤a中，光刻胶为含有树脂、感光剂和溶剂的混合物。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，步骤a中，光刻显影的步骤包括将表面涂覆有光刻胶的蓝宝石衬底置于紫外光下辐射曝光，曝光剂量为120-160mj/cm2。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤a中，掩模的形状为圆形、方形或条纹状。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤b中，刻蚀条件还包括温度20-130 °C，压力为2-8mTorr，刻蚀气体为BCl3与Cl2的混合气体，混合气体的流量为40-55sccm，刻蚀时间为 3-lOmin。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，混合气体中，BCl3的流量为32-40SCCm，Cl2的流量为8_15sccm。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中，金属有机物化学气相沉积的步骤包括反应气体为三甲基镓和NH3，载气为H2，先在520°C下在蓝宝石衬底上生长第一层，然后在1000-106(TC下在第一层上继续生长第二层，形成所述外延层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤c中，金属有机物化学气相沉积的条件包括压强为IOOtorr ;生长第一层时三甲基镓的流量为40-120 iimol/min，NH3的流量为0. 1-0. 3mol/min ;生长第二层时三甲基镓的流量为40-120 y mol/min，NH3的流量为0.2-0. 6mol/min。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤d中，还包括外延层上表面键合Si或Cu基板之后真空抽气泡的步骤。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤d中，激光剥离的条件包括激光波长为248nm，能量密度为400mJ/cm2，光斑尺寸为0. 5mmX0. 5mm，脉冲宽度为30ns，照射时间为 5-10s。
全文摘要
本发明提供了一种蓝宝石图形衬底激光剥离的方法，包括以下步骤a．采用光刻胶对蓝宝石衬底表面进行光刻显影，形成所需形状的掩模；b．对经过步骤a的蓝宝石衬底进行感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀条件包括50W≤物理轰击电极功率＜180W，400W≤化学反应电极功率＜850W；c．对经过步骤b的蓝宝石衬底进行清洗，去除掩膜；烘干后进行金属有机物化学气相沉积，在蓝宝石衬底上形成外延层；d．在外延层上表面键合Si或Cu基板，激光剥离去除蓝宝石衬底。本发明提供的方法，能有效防止蓝宝石衬底剥离过程中的外延片破片现象的发生。
文档编号H01L33/00GK102751397SQ20111010145
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者周维, 薛进营, 赵圣哲, 钟泽 申请人:比亚迪股份有限公司