基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法
【专利说明】基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及LED和功率器件芯片领域，具体涉及一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法。
【背景技术】
[0003]近年来，在半导体LED大家族和其他功率器件中，GaN基LED的发展最为迅速和引人注目。凭借其直接带隙、优良的光电特性，GaN基半导体材料在薄膜制备、晶体生长等光电器件制备方面取得了多项重大技术突破，GaN基半导体材料也因此被誉为照明领域发展的动力。然而直接生长厚层GaN比较困难，所以目前大多以价格低廉的蓝宝石作为异质衬底。但是，蓝宝石与GaN材料的晶格失配较大，造成GaN外延层中存在高密度的线位错，降低了 GaN材料的质量。此外，蓝宝石的导电及导热性能较差，影响了 GaN基LED器件的电学和光学性能。为了获得高质量的LED器件，人们往往采用激光剥离掉蓝宝石衬底的方法来解决上述的不利影响。然而，蓝宝石衬底剥离对所用的激光要求非常高，要求激光在加工过程中尽可能地减少热作用，否则热量会使GaN材料质量变差。人们一般采用准分子激光来实现这一目的，但是飞利浦的一项专利US7256483显示，即使使用这种激光剥离，后续仍然需要进行化学机械研磨(CMP)来减小不必要的损伤。因此，使用传统的激光进行蓝宝石衬底的剥离仍然不能避免GaN材料的损伤，使用目前的激光剥离技术使得LED芯片制造过程的效率和良率变低，成本提高。
【发明内容】
[0004]本发明针对激光剥离蓝宝石衬底的方法中存在的效率低、良率低、GaN薄膜易受损伤等缺陷，结合飞秒激光技术，提出了一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石的剥离方法。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，包括如下步骤:
(1)采用化学气相沉积在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜；
(2)将目标衬底键合在步骤(I)制备的GaN薄膜上，即得蓝宝石/GaN/目标衬底；
(3)采用飞秒激光由步骤(2)制备的蓝宝石/GaN/目标衬底的边缘开始，从蓝宝石上表面进行扫描辐射；
(4)将经步骤(3)飞秒激光扫描辐射之后的蓝宝石/GaN/目标衬底加热至不低于30°C，去除蓝宝石衬底，得到GaN/目标衬底的双层结构。
[0006]上述方法还包括以下步骤:采用化学气相沉积在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜前对蓝宝石衬底进行双面抛光。
[0007]上述方法还包括以下步骤:对步骤(4)制备的GaN/目标衬底的双层结构进行除Ga处理。
[0008]所述除Ga处理为用盐酸溶液进行清洗或采用飞秒激光气化。
[0009]所述步骤(I)中的GaN薄膜的层数不少于两层，其厚度为1nm到10um。
[0010]所述步骤(2 )中的目标衬底为硅衬底或铜衬底。
[0011]所述步骤(2)中的键合为粘接键合或直接键合。
所述飞秒激光辐照时，飞秒激光束聚焦在GaN薄膜与蓝宝石衬底之间的界面层。
[0012]所述飞秒激光辐照是从器件的边缘开始，以便于飞秒激光产生的气化成分逃逸出界面。器件的边缘是指器件的外围，比如正方形或长方形的一条边，因为激光会使界面层气化，从边缘开始扫描辐射有助于气体的散出。
[0013]步骤(4)中的加热温度为不低于30°C是因为界面加热分开后，可能残留一些Ga，而Ga的熔点为30°C，也就是说只要加热的温度能使Ga熔化，从而消除残留Ga就可以。
[0014]本发明基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法包括GaN薄膜、蓝宝石和目标衬底，其特征在于:
所述的GaN薄膜通过MOCVD (化学气相沉积)技术制备于蓝宝石衬底上，可以为单层或多层；所述蓝宝石作为MOCVD制作GaN薄膜的载体衬底在使用之前需要进行双面抛光以减少激光剥离照射时对激光光束的散射；所述目标衬底作为转移GaN薄膜时的载体，可以是硅衬底、铜衬底等材料。
[0015]基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底剥离方法的主要工艺流程为:
(1)在蓝宝石上MOCVD生长特定厚度的GaN薄膜；
(2)将目标衬底与GaN薄膜键合形成一个三层结构；
(3)使用飞秒激光从器件边缘进行扫描辐射；
(4)加热经步骤(3)处理后的三层结构至不低于30°C，(金属Ga的熔点)，去除蓝宝石，得到GaN与目标衬底的双层结构，然后需要对残留的金属Ga进行清除处理，可以置于盐酸溶液中进行清洗，也可以直接使用飞秒激光气化去除。
[0016]基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底剥离方法，其所述的GaN薄膜与蓝宝石器件，至少包括GaN薄膜、蓝宝石衬底和目标衬底；所述GaN薄膜生长在蓝宝石衬底上，并与目标衬底键合在一起形成目标衬底/GaN/蓝宝石的三层结构，蓝宝石衬底的剥离使用飞秒激光进行辐照。
[0017]所述飞秒激光辐照时需要聚焦在GaN薄膜与蓝宝石衬底之间的界面层；
所述飞秒激光辐照应该从器件的边缘开始；
完成飞秒激光辐照后需要加热至不低于30°C后去除蓝宝石；
所述飞秒激光的最小可加工特征尺寸在Ium以内，精度在10nm以内，甚至可以达到
0.1nm0
[0018]飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间只有几个飞秒(10 15秒)，比利用电子学方法获得的最短脉冲要短几千倍，其聚焦直径可以达到Ium以内，加工精度可以达到10nm以内，甚至可以达到0.lnm，取决于设备和测量需要的精度。飞秒激光在进行微加工时材料甚至不经热传递过程直接气化，这一功能可以用来对超小空隙、表面或体进行烘干以防止黏连的发生。飞秒激光可以产生库伦爆炸，从根本上避免了热扩散的存在和影响，可以作为一种“冷”加工方式，加工效果和质量极佳。
[0019]与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为:
(1)本发明提供的基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底剥离方法，与激光剥离相比，其精度和效率均有所提尚;
(2)作为一种冷加工方式，飞秒激光辐照前后GaN薄膜内的温度均匀且变化不大，有效减小了 GaN薄膜受到的热应力影响，提高了激光剥离的质量。
[0020](3)该方法提高了剥离蓝宝石衬底效率和良率，克服了 GaN薄膜易受损伤的缺陷。
【附图说明】
[0021]图1为基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法的工艺流程图，其中图(a)为在蓝宝石衬底上生长了 GaN薄膜的示意图，图(b)为在GaN薄膜上键合了目标衬底的示意图，图(C)为飞秒激光辐照的示意图，图(d)为GaN薄膜/目标基底的示意图。
[0022]【具体实施方式】:
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例和附图，对本发明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的一个实施例，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。
[0023]实施例1
图1为基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底剥离方法的工艺流程图。使用MOCVD技术在表面处理好(对蓝宝石衬底进行双面抛光)的蓝宝石衬底102上沉积制备Ium厚度的GaN薄膜101，如图1 (a);将目标衬底103 (硅衬底)与GaN薄膜101进行直接键合，得到蓝宝石/GaN/目标衬底的三层结构110，如图1 (b)所示；调整飞秒激光束103光斑大小，并聚焦在GaN薄膜101与蓝宝石衬底102界面处，从三层结构110的边缘开始扫描进行激光辐照直到完成，如图1 (c)所示；将三层结构110加热至30°C (金属Ga的熔点)，去除蓝宝石102，得到GaN薄膜101与目标衬底103的双层结构100，然后使用盐酸溶液进行清洗去除GaN薄膜101上残存的金属Ga，如图1 (d)所示。
[0024]采用铜衬底替代实施例1中的硅衬底，可以取得相同的技术效果。
[0025]实施例2
与实施例1不同的是:目标衬底103(硅衬底)与GaN薄膜101的键合方式是粘接键合。
[0026]实施例3
与实施例1不同的是:所述除Ga处理为采用飞秒激光气化处理。
[0027]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于包括如下步骤: (1)采用化学气相沉积在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜； (2)将目标衬底键合在步骤(I)制备的GaN薄膜上，即得蓝宝石/GaN/目标衬底； (3)采用飞秒激光由蓝宝石/GaN/目标衬底的边缘开始，从蓝宝石上表面进行扫描辐射； (4)将经步骤(3)飞秒激光扫描辐射之后的蓝宝石/GaN/目标衬底加热至不低于30°C，去除蓝宝石衬底，得到GaN/目标衬底的双层结构。2.根据权利要求1所述一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于:还包括以下步骤:采用化学气相沉积在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜前对蓝宝石衬底进行双面抛光。3.根据权利要求1所述一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于:还包括以下步骤:对步骤(4)制备的GaN/目标衬底的双层结构进行除Ga处理。4.根据权利要求3所述一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于:所述除Ga处理为用盐酸溶液进行清洗或采用飞秒激光气化处理。5.根据权利要求1-4任一项所述一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于:所述步骤(I)中的GaN薄膜的层数不少于两层，其厚度为1nm到1um06.根据权利要求1-4任一项所述一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于:所述步骤(2)中的目标衬底为硅衬底或铜衬底。7.根据权利要求1-4任一项所述一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，其特征在于:所述步骤(2)中的键合为粘接键合或直接键合。
【专利摘要】本发明公开了一种基于飞秒激光技术的GaN薄膜与蓝宝石衬底的剥离方法，属于LED和功率器件芯片领域。该方法为：（1）采用化学气相沉积在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜；（2）将目标衬底键合GaN薄膜上，即得蓝宝石/GaN/目标衬底；（3）采用飞秒激光由蓝宝石/GaN/目标衬底的边缘开始，从蓝宝石上表面进行扫描辐射；（4）将蓝宝石/GaN/目标衬底加热至不低于30℃，去除蓝宝石衬底，得到GaN/目标衬底的双层结构。其优点为：该方法为一种冷加工方式，飞秒激光辐照前后GaN薄膜内的温度均匀且变化不大，有效减小了GaN薄膜受到的热应力影响，提高了激光剥离的质量；该方法提高了剥离蓝宝石衬底效率和良率，克服了GaN薄膜易受损伤的缺陷。
【IPC分类】H01L33/00, H01L21/683
【公开号】CN105006446
【申请号】CN201510356066
【发明人】刘胜, 付兴铭, 刘亦杰, 郑怀, 沈沁宇
【申请人】武汉大学, 武汉飞恩微电子有限公司
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月25日