一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用

1.本发明属于垂直结构器件技术领域，具体涉及一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用。


背景技术：

2.基于ⅲ族氮化物半导体材料的发光二极管(led)具有体积小、易集成、低功耗、切换迅速、发光高效、使用寿命长等优势，被广泛的运用在各类照明场所，其以紫外照明为代表的特种led，被视为替代汞灯等传统紫外光源的最为理想选择，在医疗卫生、工业固化、农业生长、生化检测等领域表现出巨大的需求。
3.通常led芯片主要分为水平结构、倒装结构、垂直结构三大类。然而，由于水平结构和倒装结构通常使用同侧电极，在电流的水平传输过程中存在电流拥挤效应，加上此两种结构不去除蓝宝石衬底，存在严重的散热问题难以解决，在大功率下电流注入下尤其明显。而使用激光剥离工艺去除衬底的垂直结构芯片结构克服了水平、倒装结构由于电流拥堵，散热不均匀等一系列劣势，对改善led热效应问题及大功率输出特性具有非常好的效果，是解决led大功率及散热问题的一条重要技术解决途径。且近年来由于新冠疫情对市场的需求，垂直结构led芯片，尤其是紫外led芯片凭借其独特的优势，成为了研究热点。
4.使用激光剥离工艺不同于化学剥离，具有剥离速度快，效率高、无化学药品污染风险，但是激光剥离工艺中产生的气体冲击以及温度变化则会对氮化物led芯片造成一定的损伤，影响后续工艺的稳定进行。且芯片在外延生长过程中的晶格失配和热失配等问题的存在，也会导致剥离后出现一定程度的龟裂、褶皱等形貌，严重影响芯片质量。此类问题在深紫外led芯片的制备中更为严重，极大的影响垂直结构芯片的加工难度和成品率。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用，应用于垂直结构器件中，改善激光剥离的工艺环境，释放外延应力和气体冲击。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种空气腔激光剥离结构实现方法，包括以下步骤：
8.s1、对垂直结构器件的外延衬底进行表面处理，并在其外延面上设计刻蚀保护模板；
9.s2、在步骤s1得到的刻蚀保护模板上，通过图案加工方法在衬底上制成微腔结构阵列，然后去除刻蚀保护模板，并使用横向外延生长技术制备led外延层，将空气腔结构内嵌于激光剥离工艺的作用层；
10.s3、使用高能脉冲激光束由衬底非外延侧射入，选择激光光束、光斑尺寸和激光能量阈值区间，逐点扫描，辐照空气腔结构所在的作用层；利用激光辐照led外延层生成的气体生成物的冲击应力得以有效释放，最终将实现衬底和外延层的完整分离。
11.具体的，步骤s1中，垂直结构器件的外延衬底包括si衬底、蓝宝石衬底、氮化铝衬底、碳化硅衬底和金刚石衬底中的任意一种。
12.具体的，步骤s2中，微腔结构阵列的深度为5nm～25μm、直径为5nm～15μm，阵列周期距离为5nm～20μm；刻蚀保护模板的厚度为50nm～7μm，直径为50nm～5μm，间距为50nm～5μm。
13.具体的，步骤s2中，刻蚀保护模板为金属模板、氧化物模板、化合物模板和有机物模板中的一种或多种；图案加工方法包括刻蚀、转移、压印、旋涂、光刻、轰击、腐蚀中的一种或多种，采用湿法加热定向腐蚀方式去除刻蚀保护模板。
14.具体的，步骤s2中，横向外延生长技术制备led外延层包括gan、algan、aln、ingan或algainp材料制成的紫外led外延层、蓝色led外延层、绿色led外延层或红色led外延层。
15.具体的，步骤s2中，激光剥离工艺的作用层包括外延的缓冲层、外延的牺牲层、外延与蓝宝石衬底的界面层中的一种。
16.具体的，步骤s2中，空气腔结构的边界包括蓝宝石衬底的顶层和外延的缓冲层底层，空气腔结构的高度为5nm～30μm、直径为5nm～15μm，图案周期距离为5nm～20μm。
17.具体的，步骤s3中，高能激光束采用短脉冲波长为190～400nm、脉冲宽度为10～100ns、功率参数为0.1～20w、激光光斑尺寸为微米至毫米可调。
18.本发明的另一技术方案是，一种空气腔激光剥离结构。
19.本发明的第三个技术方案是，空气腔激光剥离结构应用于准分子激光器剥离垂直结构器件的外延衬底。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.本发明一种空气腔激光剥离结构实现方法，通过在图案加工方法将微腔结构阵列内嵌于垂直结构外延片中，在激光剥离的作用层内形成空气腔结构，使激光辐照led外延层生成的气体生成物的冲击应力和热应力得以有效释放，有效改善外延层位错密度和内应力。
22.进一步的，垂直结构器件的外延衬底包括si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底和金刚石衬底中的任意一种，作为外延层的衬底支撑。激光剥离过程中，具有对高能短脉冲激光从相对透明的衬底或外延层入射至激光剥离工艺的作用层
23.进一步的，微腔结构阵列的深度为5nm～25μm、直径为5nm～15μm，阵列周期距离为5nm～20μm，确保所述横向外延生长的初期阶段，外延生长方向由纵向变为横向，提高外延质量；刻蚀保护模板的厚度为50nm～50μm；有效阻断所述图案加工方法中的工艺对外延衬底的破坏，保证微腔结构阵列尺寸和周期的均匀。
24.进一步的，刻蚀保护模板的类型为金属模板、氧化物模板、化合物模板和有机物模板中的一种或多种，有效阻断图案加工方法中工艺对外延衬底的破坏，图案加工方法包括刻蚀、转移、压印、旋涂、光刻、轰击、腐蚀中的一种或多种组合，确保所述微腔结构阵列尺寸和精度的精度，去除刻蚀保护模板的方法采用湿法加热定向腐蚀的方式去除，确保完全、快速的去除刻蚀保护模板和所述图案加工方法产生的残渣，减少因杂质导致所述横向生长技术中的材料位错密度的增加，保证外延质量。
25.进一步的，横向外延生长技术制备led外延层包括但不限于gan、algan、aln、ingan、algainp等材料制成的紫外、蓝色、绿色、红色led外延层。
26.进一步的，激光剥离的作用层，包括外延的缓冲层、外延的牺牲层、外延与蓝宝石衬底的界面层中的一种，保证所述空气腔结构精准的作用在激光剥离的应力释放处。
27.进一步的，空气腔结构的边界包括蓝宝石衬底的顶层和外延的缓冲层底层，空气腔结构的高度为5nm～30μm、直径为5nm～15μm，图案周期距离为15nm～20μm，确保空气腔结构具有足够的空间保证气体应力的释放。
28.进一步的，高能激光束采用短脉冲波长为190-400nm、脉冲宽度为10～100ns、功率参数为0.1～20w、激光光斑尺寸为微米至毫米范围可调，确保激光剥离的高能脉冲激光束具有足够的能量使所述外延层和所述垂直结构器件的外延衬底完整分离。
29.综上所述，本发明一种空气腔激光剥离结构实现方法，通过在垂直结构外延片中嵌入空气腔结构，释放外延应力及激光剥离时材料分解释放的气体冲击应力，改善外延层位错密度和内应力，有效降低垂直结构器件激光剥离工艺制备中由于高气流导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题，保证激光剥离led外延的完整度，提升垂直结构器件的激光剥离质量和良品率。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为三种不同形貌的单一空气腔激光剥离结构的示意图；其中，(a)为尖底型，(b)为平底型，(c)为帽型；
32.图2为制备在衬底上的具有周期排列的尖底型空气腔结构的示意图；
33.图3为具有空气腔结构的蓝宝石衬底上生长了绿光led外延层的tem图像；
34.图4为具有空气腔结构和不具有空气腔结构的的led外延层经激光剥离后的光镜图；其中，(a)为不具有空气腔结构，(b)为具有空气腔结构，(c)为具有空气腔结构和无空气腔结构的分界区放大图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。
38.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
39.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
40.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.本发明提供了一种空气腔激光剥离结构及实现方法和应用，通过在垂直结构外延片中嵌入空气腔结构，降低外延层位错密度，释放材料外延应力和激光剥离产生的冲击应力，有效降低垂直结构器件激光剥离导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题，提升垂直结构器件的激光剥离质量和良品率。
43.本发明一种空气腔激光剥离结构实现方法，包括以下步骤：
44.s1、对垂直结构器件外延衬底进行表面处理，并在其外延面上设计的刻蚀保护模板；
45.垂直结构器件外延衬底包含半导体技术领域使用的硅基衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底和金刚石衬底中的任意一种。
46.1.刻蚀保护模板的类型为金属模板、氧化物模板、化合物模板和有机物模板中的一种或多种。保护模板的厚度为5nm～50μm，直径为5nm～15μm，图案周期距离为5nm～20μm。
47.s2、在步骤s1所述的刻蚀保护模板上，通过图案加工方法在衬底上制成微腔结构阵列，去除所述刻蚀保护模板，使用横向外延生长技术，将空气腔结构内嵌于激光剥离工艺的作用层；
48.图案加工方法包括刻蚀、转移、压印、旋涂、光刻、轰击、腐蚀中的一种或多种。
49.微腔结构阵列的深度为5nm～30μm、直径为5nm～15μm，阵列周期距离为5nm～20μm。
50.去除刻蚀保护模板的方法采用湿法加热定向腐蚀的方式去除。
51.横向外延生长技术制备led外延层包括但不限于gan、algan、aln、ingan、algainp等材料制成的紫外、蓝色、绿色、红色led外延层。
52.空气腔结构的边界包括蓝宝石衬底的顶层和外延的缓冲层底层，空气腔结构的高度为5nm～30μm、直径为5nm～15μm，图案周期距离为5nm～20μm。
53.激光剥离的作用层，包括外延的缓冲层、外延的牺牲层、外延与蓝宝石衬底的界面层中的一种。
54.s3、使用高能脉冲激光束由蓝宝石侧射入，选择激光光束、光斑尺寸和激光能量阈
值区间，逐点扫描，辐照空气腔结构所在的作用层，从而实现衬底和外延层的完整分离；
55.高能激光束采用短脉冲波长为190-400nm、脉冲宽度为10-100ns、功率参数为0.1w到20w、激光光斑尺寸为微米至毫米范围可调。
56.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.实施例1
58.一种采用蓝宝石的衬底，分别使用丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡各5分钟，浸泡在去离子水中，超声环境80kw保持5min除去蓝宝石表面污垢和附着的有机杂质。在蓝宝石衬底上涂敷厚度在5μm的光刻胶，进行固化时间为600s，温度为110℃的固化处理，制备结构模板。
59.使用激光方法制备空气腔结构，采用nd∶yag的固体激光器泵浦出射激光波长为355nm的纳秒脉冲激光，对蓝宝石衬底照射，通过ccd和电脑程序进行图形定位，通过调整激光频率100khz、激光脉宽60ns、及加工周期距离10μm精准实现占空比和深宽比的调控，可制备出如图1(a)所示的具有尖底形貌的空气腔结构。
60.通过使用311溶液、丙酮溶液和异丙醇溶液浸泡或者加热5去除结构模板以及激光烧蚀残留杂质的影响。将具有空气腔结构的衬底进行外延生长，并在在含有激光加工空气腔结构的蓝宝石衬底上生长了绿光led结构，可在蓝宝石衬底上制备出具有周期排列的尖底型空气腔结构，如图2所示。
61.使用tem观察该含有空气腔结构的蓝宝石衬底上生长的绿光led结构：可见其位错密度在发生横向湮灭，在纵向减少，如图3所示。
62.请参阅图4，为空气腔结构应用在使用准分子激光器剥离垂直结构led器件的蓝宝石衬底时，使用193nm波长，能量密度在800mj/cm2的准分子激光剥离蓝宝石衬底后的形貌图，相比不具有空气腔激光剥离结构的led外延片，可观察到具有空气腔结构外延片育有剥离表面致密光滑且无褶皱、开裂等损伤的优点，图4(c)为具有空气腔结构和无空气腔结构的分界区的放大图，清晰可见，无空气腔结构有明显龟裂，空气腔结构无龟裂现象。
63.将空气腔结构引入深紫外led中的有效降低垂直结构器件激光剥离工艺制备中由于高气流导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题。
64.实施例2
65.一种采用蓝宝石的衬底，分别使用丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡或者超声环境保持一定时间除去蓝宝石表面污垢和附着的大颗粒有机杂质。
66.在蓝宝石衬底上制备周期性的聚苯乙烯(ps)小球，使用湿法刻蚀或者干法刻蚀的手段，减少ps小球的直径至5nm级别。使用氧等离子体刻蚀法制备ps小球，在蓝宝石衬底上获得直径在1～15μm的ps小球。
67.使用ps小球作为掩膜，采用热蒸镀技术在ps小球上蒸镀厚度为50纳米的cr金属薄
膜，使用溶液法去除ps小球，在蓝宝石衬底上形成了排列有序的空气腔结构的掩膜层。采用感应耦合等离子体刻蚀(icp)技术，以氯基气体为反应气体，采用具有物理性粒子轰击的气体为辅助，精准调控刻蚀过程中的气体浓度、刻蚀时间5s和速率200nm/min，在蓝宝石衬底上形成具有一定占空比的周期性空气腔结构，去除cr膜，使用标准流片工艺在具有空气腔结构的蓝宝石衬底上制备外延层。
68.使用准分子脉冲激光剥离技术去除蓝宝石衬底，可观察到获得的剥离表面致密光滑且无褶皱、开裂等损伤。
69.实施例3
70.一种采用蓝宝石的衬底，分别使用丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡或者超声环境保持一定时间除去蓝宝石表面污垢和附着的大颗粒有机杂质。
71.在蓝宝石衬底上使用旋涂的方法制备一层厚度为200nm的二氧化硅薄膜，通过旋涂、匀胶、固化的方法再二氧化硅的薄膜上制备一层厚度为150nm的紫外光刻胶，通过纳米压印的方法使用设定参数的具有周期性排列的空气腔结构的掩膜板，在蓝宝石衬底上光刻胶上压印具有所需形状的孔状结构。使用紫外曝光的方法将掩模版上的图形转移到光刻胶，再通过rie技术，将光刻胶上的图形转移到二氧化硅薄膜上。
72.去胶，去除多余二氧化硅后，以转移后的二氧化硅图形化为掩膜使用icp技术，控制反应配方、反应时间和反应速率，可在蓝宝石衬底上精准实现微米级的空气腔结构。使用标准流片工艺在具有空气腔结构的蓝宝石衬底上制备外延层。
73.使用准分子脉冲激光剥离技术去除蓝宝石衬底，也可观察到获得的剥离表面致密光滑且无褶皱、开裂等损伤。
74.实施例4
75.一种采用蓝宝石的衬底，分别使用丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡各5分钟，浸泡在去离子水中，超声环境40kw保持5min除去蓝宝石表面污垢和附着的有机杂质。
76.在蓝宝石衬底上涂敷厚度在50nm的光刻胶，进行时间为30s，温度为30℃的固化处理，制备结构模板。
77.使用激光方法制备空气腔结构，采用nd∶yag的固体激光器泵浦出射激光波长为355nm的纳秒脉冲激光，对蓝宝石衬底照射，通过ccd和电脑程序进行图形定位，通过调整激光频率1khz、激光脉宽10ns、及加工周期距离5nm精准实现占空比和深宽比的调控，制备出具有尖底形貌的空气腔结构。
78.通过使用311溶液、丙酮溶液和异丙醇溶液浸泡或者加热5去除结构模板以及激光烧蚀残留杂质的影响。将具有空气腔结构的衬底进行外延生长，并在在含有激光加工空气腔结构的蓝宝石衬底上生长了绿光led结构，可在蓝宝石衬底上制备出具有周期排列的尖底型空气腔结构。
79.为空气腔结构应用在使用准分子激光器剥离垂直结构led器件的蓝宝石衬底时，使用193nm波长，能量密度在400mj/cm2的准分子激光剥离蓝宝石衬底后的形貌图，相比不具有空气腔激光剥离结构的led外延片，可观察到具有空气腔结构外延片育有剥离表面致密光滑且无褶皱、开裂等损伤的优点。
80.将空气腔结构引入深紫外led中的有效降低垂直结构器件激光剥离工艺制备中由于高气流导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题。
81.实施例5
82.一种采用蓝宝石的衬底，分别使用丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡各20分钟，浸泡在去离子水中，超声环境80kw保持5min除去蓝宝石表面污垢和附着的有机杂质。
83.在蓝宝石衬底上涂敷厚度在7μm的光刻胶，进行时间为600s，温度为210℃的固化处理，制备结构模板。
84.使用激光方法制备空气腔结构，采用nd∶yag的固体激光器泵浦出射激光波长为355nm的纳秒脉冲激光，对蓝宝石衬底照射，通过ccd和电脑程序进行图形定位，通过调整激光频率1～200khz、激光脉宽100ns、及加工周期距离20μm精准实现占空比和深宽比的调控，可制备出如图1(a)所示的具有尖底形貌的空气腔结构。
85.通过使用311溶液、丙酮溶液和异丙醇溶液浸泡或者加热5去除结构模板以及激光烧蚀残留杂质的影响。将具有空气腔结构的衬底进行外延生长，并在在含有激光加工空气腔结构的蓝宝石衬底上生长了绿光led结构，可在蓝宝石衬底上制备出具有周期排列的尖底型空气腔结构。
86.使用tem观察该含有空气腔结构的蓝宝石衬底上生长的绿光led结构：可见其位错密度在发生横向湮灭，在纵向减少。
87.使用193nm波长，能量密度在1200mj/cm2的准分子激光剥离蓝宝石衬底后的形貌图，相比不具有空气腔激光剥离结构的led外延片，可观察到具有空气腔结构外延片育有剥离表面致密光滑且无褶皱、开裂等损伤的优点。
88.将空气腔结构引入深紫外led中的有效降低垂直结构器件激光剥离工艺制备中由于高气流导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题。
89.综上所述，本发明一种空气腔激光剥离结构及实现方法，通过在垂直结构外延片中嵌入空气腔结构，释放外延应力和激光剥离时材料分解释放的气体冲击应力，改善外延层位错密度和内应力问题，空气腔结构应用在使用准分子激光器剥离垂直结构器件的外延衬底时，降低垂直结构器件激光剥离工艺制备中由于高气流导致的芯片龟裂、剥离损伤等问题，有效提升垂直结构器件的激光剥离的质量。
90.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。