用于分离衬底晶片的方法

文档序号:8191651阅读:238来源:国知局
专利名称:用于分离衬底晶片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于从半导体单晶体分离半导体层的方法。
背景技术
在半导体技术中常常需要薄的单晶半导体层。这例如在制备如发光二极管(LED)的光电子器件时是这种情况。LED例如通过薄膜法制造,其中在例如为蓝宝石玻璃的载体上沉积半导体的薄层。这通常通过半导体材料的外延生长而发生。这样施加的薄层也称作外延层。本领域的技术人员例如从文献[I]中已知对此的方法。例如为氮化镓(GaN)或砷化镓(GaAs)的半导体材料的沉积通过生长到具有其他结构常数的材料上而具有在得到的晶体结构的质量方面的限制。因此,在已生长的半导体材料中例如出现位错或缺陷。因此,常常首先在载体上施加缓冲层(buffer layer),所述缓冲层已经由所述外延层的半导体材料 构成。然而,已生长的缓冲层常常不具有连续的均匀的晶体结构。然而,在薄的半导体层中制造器件时,期望具有尽可能少的缺陷的晶体结构。在这方面也涉及良好的晶体质量。

发明内容
本发明基于下述问题,提供一种方法,借助所述方法能够产生具有良好晶体质量的薄的单晶半导体层。所述问题通过根据权利要求I所述的用于从半导体单晶体分离半导体层的方法来解决。在从属权利要求中说明光电子器件的改进形式和有利的设计方案。所述方法的不同的实施形式具有以下步骤-提供具有单一晶体结构的半导体单晶体;-通过借助于激光的照射,将在所述半导体单晶体中的分离面内的晶体结构局部地改性到已改变的组织结构状态;-通过选择性刻蚀移除已改性的分离面。半导体单晶体能够通过多个不同的方法来产生。例如通过从熔体中提拉来制造半导体单晶体。随后,将所述半导体单晶体锯成单独的晶片(wafer),所述晶片又分别构成半导体单晶体。因此,能够提供具有良好的晶体质量或单一晶体结构的半导体单晶体。这样的半导体单晶体常常已经用作继续加工成半导体器件的基础。然而,在所有情况下,晶片具有多个IOOym的厚度。本发明的基本思想是,从晶片分离半导体材料的多个薄层,以便将所述薄层用于制造具有良好的晶体结构质量的半导体器件。例如,分离的III-V半导体材料层能够在制造半导体器件时应用。对此,首先提供载体,例如蓝宝石晶体或其他能够更容易的使用的半导体材料,例如硅。在所述载体上施加薄的半导体层。所述薄的半导体层例如能够通过焊接步骤或粘接步骤与所述载体牢固地连接。这样施加的半导体层用作为用于例如通过半导体结构从具有相同的或类似的晶格常数的半导体材料的外延生长来进一步制造半导体器件的基础。这在很大程度上避免了在外延层中形成位错的缺陷。因此,能够生长具有高质量的晶体结构的外延层。尤其在结合例如为GaAs或GaN的III-V半导体或基于所述材料的半导体的情况下,这尤其是有利的,因为所述材料是难于制造的,并且相应地,提供由所述材料制成的载体是昂贵的和困难的。所述材料尤其使用在分立的器件中,例如使用在功率半导体器件中或使用在例如为半导体激光器或发光二极管的光电子器件中。
通过激光辐射在半导体单晶体的分离面中的作用来实现从半导体材料中分离薄层。由于大的辐射强度的短暂作用,局部地改变了晶体结构中的组织结构。在此使用激光器,以便将特定的波长的大的辐射强度引入到晶体结构中。由于所述大的辐射强度,半导体材料例如能够局部地熔化或者晶体结构通过其他过程被改变。在随后的冷却中出现已改变的组织结构,其中半导体材料例如呈现无定形状态、多晶状态或两种状态的混合形式。
通过激光的作用对半导体单晶体进行改性,使得所述半导体单晶体在分离面的区域中具有已改变的组织结构。与在获得的晶体结构的区域中相比,通过选择性刻蚀,半导体单晶体在已改变组织结构的区域中被更强地刻蚀。因此,半导体单晶体在分离面中被分割。这产生了能够从半导体单晶体取下的半导体层。所述半导体层在它那方面具有带有良好质量的晶体结构。此外,能够通过适合地选择分离面在晶面的所期望的厚度或定向上的位置来制造所述层。
在一个实施形式中,抛光半导体层的邻接到分离面上的表面。因此,对能够在刻蚀过程中出现的不均匀性进行补偿。因此例如通过借助于激光辐射的改性,所述表面能够具有一定的粗糙度。同样可能的是,由于在薄的分离面中的选择性刻蚀,产生半导体层的凹形表面。通过所述抛光,能够产生半导体层的尽可能平坦和光滑的表面。对此,例如可设想例如为化学机械抛光(chemical mechanical polishing或CMP)的方法。
在一个实施形式中,通过将由激光器发射的激光辐射经由半导体单晶体的上侧聚焦地射入实现对半导体单晶体的改性。因此,能够在分离面的区域中以受控的方式显示激光效果。尤其能够以受控的方式调节合适的数值孔径或者也以受控的方式调节由于半导体层的厚度所需的覆盖玻璃校准。
在一个实施形式中,激光辐射包括皮秒激光辐射或飞秒激光辐射。由此,能够将高的辐射功率以受控的方式引入到分离面中,使得实现将晶体结构例如改性到无定形结构或多晶结构。
在一个实施形式中,将激光辐射的焦点以扫描的形式引入到整个分离面上。在此, 能够逐步地对所述分离面进行改性,以至于获得连续的已改性的分离面,所述分离面在待分离的半导体层和剩余的半导体单晶体之间连续地延伸。
在一个实施形式中,通过具有大于O. 3、尤其大于O. 5的数值孔径的光学系统将激光辐射聚焦到分离面的区域中。通过数值孔径来共同确定已引入的激光辐射的焦点尺寸。 有效的聚焦、也就是说小的焦点半径(艾里斑半径)通过高的数值孔径来获得。因此,在分离面中的改性导致了在半导体单晶体中局部限定的组织结构改变。由此,在通过上述方法,分离半导体层时消耗尽可能较少量的半导体材料。与例如锯开半导体单晶体的已知的方法相比,正是在耗费地或仅以高成本提供的半导体材料的情况下,这是非常有利的。
在一个实施形式中,通过湿化学法来移除已改性的分离面。所述湿化学法例如能4够通过浸在反应酸液或碱液中来实现。在此,在半导体单晶体中进行选择性刻蚀,其中,反应酸液或碱液与已改性的分离面的反应强于与剩余的半导体单晶体的反应。对于本领域的技术人员而言,将合适的湿化学法与不同半导体材料相结合是已知的。然而,同样可能的是,使用干化学法或其他合适的刻蚀方法。 在一个实施形式中,湿化学法包括使用润湿剂。由此,在湿化学法中使用的刻蚀液能够更好地进入半导体单晶体中的薄的通道中,以至于正好也能够移除非常薄的已改性的分离面,而不会由于所述半导体单晶体的过长的反应时间与湿化学法的刻蚀液进行不必要的反应。在一个实施形式中,载体固定在半导体单晶体的上侧上。这样的载体例如为蓝宝石玻璃、硅衬底或用于使待分离的半导体层机械稳定的其他的合适的材料。在一个特殊的实施形式中,在湿法化学的刻蚀之前施加载体,以至于半导体层随后能够被容易地取下以及再加工。同样地,对分离面的改性在固定载体之后进行。在这种情况下,所述载体以及固定机构在使用激光辐射的区域中能够是透明的。替选地,能够通过与载体相对置的侧来照射半导体单晶体。典型地,能够使用例如为锡合金的焊料或例如为环氧树脂的粘结剂来作 为固定机构。


下面根据附图详细阐明用于从半导体单晶体分离半导体层的方法的不同的实施例。在附图中,附图标记的第一个编号涉及首次使用所述附图标记的附图。相同的附图标记用于在所有附图中的同类的或起相同作用的元件或特征。附图中示出图Ia至图Id示出根据第一实施例的在从半导体单晶体分离半导体层时的方法步骤的示意图;以及图2a至图2b示出根据第二实施例的在从半导体单晶体分离半导体层时的方法步骤的示意图。
具体实施例方式用于分离半导体层的方法的第一实施例图Ia至图Id示出根据第一实施例的在从半导体单晶体分离半导体层时的方法步骤的示意图。在第一方法步骤中提供在图Ia中示出的半导体晶体100。半导体晶体100是半导体材料的、尤其是例如为GaN或GaAs的III-V半导体材料的单晶体。与制造光电子器件相关联,也使用其他的例如铟基的半导体材料。半导体晶体100例如作为半导体晶片(wafer)提供。所述半导体晶体100具有表面102。在图Ib中所示出的第二方法步骤中,在半导体晶体100中产生改性的分离面104。对此,半导体晶体100暴露在激光辐射106中。通过合适的光学系统108,将激光辐射106在分离面104中聚焦到聚焦区域110中。聚焦区域110具有焦点直径。从引入的激光辐射106的波长和所使用的光学系统108的数值孔径来确定所述焦点直径。对于激光辐射106典型地使用皮秒激光辐射或飞秒激光辐射。因此,以脉冲的方式将非常高的能量密度引入到半导体单晶体100中。由此,晶体结构在聚焦区域110中被局部地破坏或改性。当随后松弛到平衡中时,形成半导体材料的已改变的组织结构。例如,所述半导体材料在无定形相或玻璃相、多晶相中或作为所述相的混合相而固化。对蓝宝石晶体而言,例如从文献[2]中已知借助于飞秒激光辐射对晶体组织结构的改性。
总体上,有利的是,所使用的激光辐射106能够在没有大的损耗的情况下穿透半导体材料。对此,选择激光辐射106的波长,对于所述波长而言,半导体材料是尽可能透明的。激光辐射106的大的功率密度通过集中到聚焦区域110上来实现。由于非线性效应, 激光辐射106在聚焦区域110中至少部分地被吸收。在此,聚焦区域110也确定了在半导体单晶体100内的晶体结构损坏的程度。聚焦区域110位于分离面104中,其中,在激光辐射106穿过半导体材料时,必要时借助于在光学系统108中的覆盖玻璃校准能够修正聚焦误差。
例如为了对基于GaN的半导体晶体100进行改性,使用具有在360nm和1300nm 之间的波长的激光辐射106。在尤其有利的实施形式中,激光辐射106的波长在750nm和 IlOOnm之间。用于飞秒激光辐射的典型的脉冲持续时间在IOfs至IOOOfs之间。激光辐射 106的典型的脉冲能量在O. I μ J至20 μ J的范围中。通过大于O. 3、尤其大于O. 5的数值孔径,在聚焦区域110的直径小于ΙΟμπκ尤其小于5μπι的情况下实现足够大的功率密度, 以便打破基于GaN的半导体晶体100的晶体结构。聚焦区域110的尺寸通过焦距长度或瑞利(Raylei)长度来确定,所述焦距长度或瑞利长度从所使用的光学系统108的所使用的数值孔径和所使用的激光辐射106的波长中得出。
将激光辐射106以扫描的形式在整个表面102上引入到半导体晶体100中。对此,激光辐射106连同光学系统108平行于表面102 (通过箭头112标明)移动。借助激光辐射106扫描表面102,使得半导体晶体100在连续的分离面104中被改性,其中,所述分离面104设置成平行于所述表面102。然而还可设想的是,激光辐射106以其他合适的方式、 例如通过位置固定的光学系统108来扫描表面102,或者分离面104倾斜于表面102延伸。 重要的是,聚焦区域110在任何时候都位于所期望的分离面104内。
一旦在半导体晶体100内连续地产生已改性的分离面104,就移除已改性的半导体材料。如同在图Ic中所示出的,这通过对半导体单晶体100的选择性刻蚀发生。在此,通过将半导体晶体100暴露在刻蚀液中,例如能够对所述半导体晶体进行湿法化学的刻蚀。 尤其是在半导体晶体100的侧面114上施加刻蚀液。例如,将半导体晶体100浸泡在酸液池中或用刻蚀液对其进行环绕冲洗。因此,基于GaN的半导体晶体100能够浸在例如为氢氟酸(HF)的酸液或者例如为氢氧化钾(KOH)的碱液中。在选择性刻蚀时,以与其余的半导体材料相比明显更高的刻蚀速度将在分离面104中的已改性的半导体材料从半导体单晶体100上移除。在上面示例地说明的系统中,刻蚀速度的比是从大于一千(1000)直到一万 (10000)的系数。
已改性的分离面104在选择性刻蚀期间的良好的润湿是有利的。对此,刻蚀液必须能够流入在分离面104中形成的通道中,并且也能够容易地从所述通道中被冲出。例如为磺酸或含氟表面活性剂的润湿剂能够有利地添加到刻蚀液中。因此,刻蚀液的表面张力降低并且能够更好地渗透到薄的毛细管或管道中,并且良好地润湿已改性的分离面104。
通过选择性刻蚀,在分离面104的区域中分离半导体晶体100。如在图Id中所示,因此在半导体单晶体100中形成分离槽116,所述分离槽116将剩余的半导体本体118与半导体层120分离。因为分离槽116在半导体本体118和半导体层120之间连续地延伸,所以例如能够通过抽吸沿法线的方向122从半导体本体118上取下所述半导体层120。对于从半导体晶体100剥离多个单层而言尤其有利的是,在半导体本体的表面上施加刻蚀阻止层,并且仅半导体本体的边缘侧或在边缘侧上的区域保持为不具有刻蚀阻止层,在半导体本体的边缘侧或在边缘侧上的区域中,刻蚀液应渗透到分离面中。因此,由于长时间地并且重复地浸在刻蚀液中,能够避免对表面的破坏。因此,所述方法可实现提供一个或多个薄的半导体层120。所述半导体层120可用于任何应用。对此,通过附加的工艺步骤,例如借助于化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing或CMP)和/或借助于回火步骤,能够使半导体层120的朝向分离槽116的侧变平整,或者能够消除在所述侧上的缺陷。半导体层120能够用于不同的应用。半导体层120例如能够用作柔性的载体。例如在将半导体层120施加到机械稳定的载体上之后,在外延 法中所述半导体层120同样能够用作生长衬底或外延载体。在此尤其有利的是,能够提供具有与所施加的外延层相同的晶体结构的外延载体。因此,能够尽可能地避免在外延层中缺陷或位错的形成。也可设想所述方法的多个变型形式。在一个可能的设计方案中,借助于激光辐射对多个平行的分离面进行改性。因此,在一个刻蚀过程中能够分离多个半导体层。在此尤其有利的是,首先对位于最深处的分离面进行改性,并且最后对位于最上面的分离面进行改性,以便总是确保激光辐射的尽可能均匀的光路。在所述设计方案中还可设想的是,在半导体本体的表面上施加刻蚀阻止层,并且仅半导体本体的边缘侧和在边缘侧上的区域保持为不具有刻蚀阻止层,在半导体本体的边缘侧和在边缘侧上的区域中,刻蚀液应渗透到分离面中。在另一改进形式中,在分离半导体层之后、在用类似的方法分离另一半导体层之前,使剩余的半导体本体的表面变平整。用于分离半导体层的方法的第二实施例下面参考图2a和图2b来说明另一优选的实施例。图2a和图2b示出从半导体单晶体100分离半导体层时的方法步骤的示意图。所述方法基本上以类似于第一实施例的步骤进行。然而,主要的区别是支承载体200固定在半导体晶体100上,以便能够更好地取下半导体层120。在此尤其有利的是,在对分离面104进行改性之后施加支承载体。这在图2a中示意性地示出。支承载体200例如能够通过借助于环氧树脂的粘接、通过使用例如为锡(Sn)的低熔点的焊料的焊接、或通过使用AuSn焊料的共晶接合而固定在半导体晶体100的上侧102上。在对分离面104进行改性之后安装支承载体200具有以下优点在选择支承载体200和连接材料时,不必考虑特殊的光学特性,尤其不必考虑在激光辐射的区域中的透明度。也不需要任何耗费的光学校准使聚焦区域置于分离面104中。然而还可能的是,首先施加支承载体200,并且随后通过半导体晶体100的相对置的侧,用激光辐射来对分离面104进行改性。蓝宝石玻璃载体或例如为硅晶片形式的硅载体能够用作典型的支承载体200。在选择时同样能够考虑的是,支承载体200和连接材料都具有与半导体晶体的半导体材料类似的热膨胀系数。也能够考虑的是,实现在支承载体200和半导体材料之间的尽可能耐用的和闻的粘合性。最后,支承载体200能够从在接下来的选择性刻蚀时相对刻蚀液尽可能惰性的材料中选择。在选择性刻蚀之后,已分尚的半导体层120 如在图2b中所不粘合在支承载体200上,并且通过所形成的分离槽116与剩余的半导体本体118分开。通过将支承载体200沿法线的方向122朝向表面102提升,能够从半导体晶体100上取下半导体层120以用于进一步加工。因此,半导体层120准备好用于进一步加工,如同已经在本文中借助第一实施例说明。最终陈述为了阐明基本思想,根据一些实施例说明用于从半导体单晶体分离半导体层的方法。在此,所述实施例不局限于特定的特征组合。即使当一些特征和设计方案仅在本文中借助特殊的实施例或各个实施例来说明时,其也能够分别与来自其他实施例的其他特征组 合。同样可能的是,在实施例中省去或添加各个已说明的特征或特殊的设计方案,只要仍保持实现通常的技术理论。参考文献在本文中引用以下的文献[I]Nakamura S.和Fasol G. The blue laser diode GaN based lightemittersand lasers,柏林,Springer 出版社,1997 年,35 至 77 页,ISBN3-540-61590-3 ;以及[2] Wortmann D.,Gottmann J.,Brandt N.和 Horn-SolleH. “Micro-andnanostructures inside sapphire by fs-laser irradiation andselectiveetching”,Opt.Express 16,1517-1522 (2008)。附图标记列表半导体晶体100表面102分离面104激光辐射106光学系统108聚焦区域110方向112侧面114分离槽116剩余的半导体本体 118半导体层120法线方向122载体200。
权利要求
1.用于从半导体单晶体(100)分离单晶的半导体层(116)的方法,包括-提供具有单一晶体结构的半导体单晶体(100);-通过借助于激光(106)的照射,将在所述半导体单晶体(100)中的分离面(104)内的晶体结构局部地改性到已改变的组织结构状态;-通过选择性刻蚀移除已改性的所述分离面(104)。
2.根据权利要求I所述的方法,包括-抛光所述半导体层的邻接于所述分离面(104)的表面。
3.根据上述权利要求之一所述的方法,其中,通过将由所述激光器发射的激光辐射 (106)经由所述半导体单晶体(100)的上侧(102)聚焦地射入实现改性。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述激光辐射包括皮秒激光辐射或飞秒激光辐射。
5.根据上述权利要求之一所述的方法,其中,将所述激光辐射的焦点以扫描的形式引入到整个分离面上。
6.根据上述权利要求之一所述的方法,其中,通过具有大于O.5、尤其大于O. 3的数值孔径的光学系统将所述激光辐射聚焦到所述分离面的区域中。
7.根据上述权利要求之一所述的方法,其中,所述激光辐射聚焦到在所述分离面中的点状区域中。
8.根据上述权利要求之一所述的方法,其中,通过湿化学法移除已改性的分离面。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述湿化学法包括润湿剂的使用。
10.根据上述权利要求之一所述的方法,包括-将载体固定在所述半导体单晶体的上侧上。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,将所述载体在选择性刻蚀期间固定在所述半导体单晶体的所述上侧上。
12.根据上述权利要求之一所述的方法,其中,所述半导体单晶体具有III-V半导体材料。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述III-V半导体材料具有氮化镓。
全文摘要
在用于从半导体单晶体(100)分离半导体层的方法中,提供具有单一晶体结构的半导体单晶体(100)。通过借助于激光(106)的照射,将在所述半导体单晶体(100)中的分离面(104)内的晶体结构局部地改性到已改变的组织结构状态。通过选择性刻蚀移除已改性的分离面(104)。
文档编号C30B29/40GK102947493SQ201180030855
公开日2013年2月27日 申请日期2011年6月14日 优先权日2010年6月22日
发明者拉尔夫·瓦格纳 申请人:欧司朗光电半导体有限公司
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