基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法
【專利說明】基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及LED和功率器件芯片領域，具體涉及一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法。
【背景技術】
[0003]近年來，在半導體LED大家族和其他功率器件中，GaN基LED的發展最為迅速和引人注目。憑借其直接帶隙、優良的光電特性，GaN基半導體材料在薄膜制備、晶體生長等光電器件制備方面取得了多項重大技術突破，GaN基半導體材料也因此被譽為照明領域發展的動力。然而直接生長厚層GaN比較困難，所以目前大多以價格低廉的藍寶石作為異質襯底。但是，藍寶石與GaN材料的晶格失配較大，造成GaN外延層中存在高密度的線位錯，降低了 GaN材料的質量。此外，藍寶石的導電及導熱性能較差，影響了 GaN基LED器件的電學和光學性能。為了獲得高質量的LED器件，人們往往采用激光剝離掉藍寶石襯底的方法來解決上述的不利影響。然而，藍寶石襯底剝離對所用的激光要求非常高，要求激光在加工過程中盡可能地減少熱作用，否則熱量會使GaN材料質量變差。人們一般采用準分子激光來實現這一目的，但是飛利浦的一項專利US7256483顯示，即使使用這種激光剝離，后續仍然需要進行化學機械研磨(CMP)來減小不必要的損傷。因此，使用傳統的激光進行藍寶石襯底的剝離仍然不能避免GaN材料的損傷，使用目前的激光剝離技術使得LED芯片制造過程的效率和良率變低，成本提高。
【發明內容】
[0004]本發明針對激光剝離藍寶石襯底的方法中存在的效率低、良率低、GaN薄膜易受損傷等缺陷，結合飛秒激光技術，提出了一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石的剝離方法。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案來實現:
一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，包括如下步驟:
(1)采用化學氣相沉積在藍寶石襯底上生長GaN薄膜；
(2)將目標襯底鍵合在步驟(I)制備的GaN薄膜上，即得藍寶石/GaN/目標襯底；
(3)采用飛秒激光由步驟(2)制備的藍寶石/GaN/目標襯底的邊緣開始，從藍寶石上表面進行掃描輻射；
(4)將經步驟(3)飛秒激光掃描輻射之后的藍寶石/GaN/目標襯底加熱至不低于30°C，去除藍寶石襯底，得到GaN/目標襯底的雙層結構。
[0006]上述方法還包括以下步驟:采用化學氣相沉積在藍寶石襯底上生長GaN薄膜前對藍寶石襯底進行雙面拋光。
[0007]上述方法還包括以下步驟:對步驟(4)制備的GaN/目標襯底的雙層結構進行除Ga處理。
[0008]所述除Ga處理為用鹽酸溶液進行清洗或采用飛秒激光氣化。
[0009]所述步驟(I)中的GaN薄膜的層數不少于兩層，其厚度為1nm到10um。
[0010]所述步驟(2 )中的目標襯底為硅襯底或銅襯底。
[0011]所述步驟(2)中的鍵合為粘接鍵合或直接鍵合。
所述飛秒激光輻照時，飛秒激光束聚焦在GaN薄膜與藍寶石襯底之間的界面層。
[0012]所述飛秒激光輻照是從器件的邊緣開始，以便于飛秒激光產生的氣化成分逃逸出界面。器件的邊緣是指器件的外圍，比如正方形或長方形的一條邊，因為激光會使界面層氣化，從邊緣開始掃描輻射有助于氣體的散出。
[0013]步驟(4)中的加熱溫度為不低于30°C是因為界面加熱分開后，可能殘留一些Ga，而Ga的熔點為30°C，也就是說只要加熱的溫度能使Ga熔化，從而消除殘留Ga就可以。
[0014]本發明基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法包括GaN薄膜、藍寶石和目標襯底，其特征在于:
所述的GaN薄膜通過MOCVD (化學氣相沉積)技術制備于藍寶石襯底上，可以為單層或多層；所述藍寶石作為MOCVD制作GaN薄膜的載體襯底在使用之前需要進行雙面拋光以減少激光剝離照射時對激光光束的散射；所述目標襯底作為轉移GaN薄膜時的載體，可以是硅襯底、銅襯底等材料。
[0015]基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底剝離方法的主要工藝流程為:
(1)在藍寶石上MOCVD生長特定厚度的GaN薄膜；
(2)將目標襯底與GaN薄膜鍵合形成一個三層結構；
(3)使用飛秒激光從器件邊緣進行掃描輻射；
(4)加熱經步驟(3)處理后的三層結構至不低于30°C，(金屬Ga的熔點)，去除藍寶石，得到GaN與目標襯底的雙層結構，然后需要對殘留的金屬Ga進行清除處理，可以置于鹽酸溶液中進行清洗，也可以直接使用飛秒激光氣化去除。
[0016]基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底剝離方法，其所述的GaN薄膜與藍寶石器件，至少包括GaN薄膜、藍寶石襯底和目標襯底；所述GaN薄膜生長在藍寶石襯底上，并與目標襯底鍵合在一起形成目標襯底/GaN/藍寶石的三層結構，藍寶石襯底的剝離使用飛秒激光進行輻照。
[0017]所述飛秒激光輻照時需要聚焦在GaN薄膜與藍寶石襯底之間的界面層；
所述飛秒激光輻照應該從器件的邊緣開始；
完成飛秒激光輻照后需要加熱至不低于30°C后去除藍寶石；
所述飛秒激光的最小可加工特征尺寸在Ium以內，精度在10nm以內，甚至可以達到
0.1nm0
[0018]飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，持續時間只有幾個飛秒(10 15秒)，比利用電子學方法獲得的最短脈沖要短幾千倍，其聚焦直徑可以達到Ium以內，加工精度可以達到10nm以內，甚至可以達到0.lnm，取決于設備和測量需要的精度。飛秒激光在進行微加工時材料甚至不經熱傳遞過程直接氣化，這一功能可以用來對超小空隙、表面或體進行烘干以防止黏連的發生。飛秒激光可以產生庫倫爆炸，從根本上避免了熱擴散的存在和影響，可以作為一種“冷”加工方式，加工效果和質量極佳。
[0019]與現有技術相比，本發明的優點和有益效果為:
(1)本發明提供的基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底剝離方法，與激光剝離相比，其精度和效率均有所提尚;
(2)作為一種冷加工方式，飛秒激光輻照前后GaN薄膜內的溫度均勻且變化不大，有效減小了 GaN薄膜受到的熱應力影響，提高了激光剝離的質量。
[0020](3)該方法提高了剝離藍寶石襯底效率和良率，克服了 GaN薄膜易受損傷的缺陷。
【附圖說明】
[0021]圖1為基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法的工藝流程圖，其中圖(a)為在藍寶石襯底上生長了 GaN薄膜的示意圖，圖(b)為在GaN薄膜上鍵合了目標襯底的示意圖，圖(C)為飛秒激光輻照的示意圖，圖(d)為GaN薄膜/目標基底的示意圖。
[0022]【具體實施方式】:
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合實施例和附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一個實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0023]實施例1
圖1為基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底剝離方法的工藝流程圖。使用MOCVD技術在表面處理好(對藍寶石襯底進行雙面拋光)的藍寶石襯底102上沉積制備Ium厚度的GaN薄膜101，如圖1 (a);將目標襯底103 (硅襯底)與GaN薄膜101進行直接鍵合，得到藍寶石/GaN/目標襯底的三層結構110，如圖1 (b)所示；調整飛秒激光束103光斑大小，并聚焦在GaN薄膜101與藍寶石襯底102界面處，從三層結構110的邊緣開始掃描進行激光輻照直到完成，如圖1 (c)所示；將三層結構110加熱至30°C (金屬Ga的熔點)，去除藍寶石102，得到GaN薄膜101與目標襯底103的雙層結構100，然后使用鹽酸溶液進行清洗去除GaN薄膜101上殘存的金屬Ga，如圖1 (d)所示。
[0024]采用銅襯底替代實施例1中的硅襯底，可以取得相同的技術效果。
[0025]實施例2
與實施例1不同的是:目標襯底103(硅襯底)與GaN薄膜101的鍵合方式是粘接鍵合。
[0026]實施例3
與實施例1不同的是:所述除Ga處理為采用飛秒激光氣化處理。
[0027]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1.一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于包括如下步驟: (1)采用化學氣相沉積在藍寶石襯底上生長GaN薄膜； (2)將目標襯底鍵合在步驟(I)制備的GaN薄膜上，即得藍寶石/GaN/目標襯底； (3)采用飛秒激光由藍寶石/GaN/目標襯底的邊緣開始，從藍寶石上表面進行掃描輻射； (4)將經步驟(3)飛秒激光掃描輻射之后的藍寶石/GaN/目標襯底加熱至不低于30°C，去除藍寶石襯底，得到GaN/目標襯底的雙層結構。2.根據權利要求1所述一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于:還包括以下步驟:采用化學氣相沉積在藍寶石襯底上生長GaN薄膜前對藍寶石襯底進行雙面拋光。3.根據權利要求1所述一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于:還包括以下步驟:對步驟(4)制備的GaN/目標襯底的雙層結構進行除Ga處理。4.根據權利要求3所述一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于:所述除Ga處理為用鹽酸溶液進行清洗或采用飛秒激光氣化處理。5.根據權利要求1-4任一項所述一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于:所述步驟(I)中的GaN薄膜的層數不少于兩層，其厚度為1nm到1um06.根據權利要求1-4任一項所述一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于:所述步驟(2)中的目標襯底為硅襯底或銅襯底。7.根據權利要求1-4任一項所述一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，其特征在于:所述步驟(2)中的鍵合為粘接鍵合或直接鍵合。
【專利摘要】本發明公開了一種基于飛秒激光技術的GaN薄膜與藍寶石襯底的剝離方法，屬于LED和功率器件芯片領域。該方法為：（1）采用化學氣相沉積在藍寶石襯底上生長GaN薄膜；（2）將目標襯底鍵合GaN薄膜上，即得藍寶石/GaN/目標襯底；（3）采用飛秒激光由藍寶石/GaN/目標襯底的邊緣開始，從藍寶石上表面進行掃描輻射；（4）將藍寶石/GaN/目標襯底加熱至不低于30℃，去除藍寶石襯底，得到GaN/目標襯底的雙層結構。其優點為：該方法為一種冷加工方式，飛秒激光輻照前后GaN薄膜內的溫度均勻且變化不大，有效減小了GaN薄膜受到的熱應力影響，提高了激光剝離的質量；該方法提高了剝離藍寶石襯底效率和良率，克服了GaN薄膜易受損傷的缺陷。
【IPC分類】H01L33/00, H01L21/683
【公開號】CN105006446
【申請號】CN201510356066
【發明人】劉勝, 付興銘, 劉亦杰, 鄭懷, 沈沁宇
【申請人】武漢大學, 武漢飛恩微電子有限公司
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年6月25日