一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，包括：使用激光切割機(jī)在襯底晶圓上開鑿溝槽結(jié)構(gòu)；使用砂輪切割機(jī)對溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面修飾處理，清理溝槽結(jié)構(gòu)表面的附著物；清洗襯底晶圓。本方法既保留了激光切割的快速、高效、精確和低成本等優(yōu)點，同時又克服了激光切割的界面副產(chǎn)物附著、光學(xué)傳輸特性較差等缺點。本方法有機(jī)地結(jié)合了激光切割和砂輪切割的優(yōu)點，同時克服了各自的缺點，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。
【專利說明】一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，屬于光電子或電子器件的制造【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]以氮化物(AIN、GaN, InN與它們的合金)、碳化硅、氧化鋅等材料為代表的寬禁帶半導(dǎo)體(第三代半導(dǎo)體)產(chǎn)品目前正進(jìn)入高速成長的時期。與傳統(tǒng)的硅、砷化物等半導(dǎo)體材料相比，在高溫、高功率、高頻率、抗輻射和高能量轉(zhuǎn)換效率的光電子或電子器件的應(yīng)用場合，寬禁帶半導(dǎo)體有卓越的優(yōu)勢。這些應(yīng)用場合包括半導(dǎo)體照明、信息顯示、光電探測器、高速鐵路、新能源汽車、電力生產(chǎn)與輸送、航空航天、雷達(dá)、通訊等。使用寬禁帶半導(dǎo)體制造器件，首先要選擇合適的襯底晶圓，如藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氧化鋅等同質(zhì)或異質(zhì)材料，然后再在這些襯底上進(jìn)行外延薄膜生長和器件加工。例如，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的氮化物、碳化硅材料，其設(shè)計的光電子或電子器件包括:發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、肖特基二極管(SD)、光電探測器(H))、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)等等。本發(fā)明所述內(nèi)容主要涉及氮化物材料的外延生長和器件加工。
[0003]在氮化物光電子或電子器件的外延生長和器件加工過程中，襯底晶圓的溝槽結(jié)構(gòu)主要有兩個重要作用:第一，溝槽結(jié)構(gòu)有利于氮化物側(cè)向外延生長模式的形成，減少位錯缺陷的產(chǎn)生，提高外延晶體質(zhì)量。第二，改善光線在介質(zhì)界面處的傳輸特征。比如，增加LED器件的光線抽取效率，使得從襯底出射的光子數(shù)量增加，緩解了由于襯底材料高折射系數(shù)形成的全反射效應(yīng)；又比如，溝槽結(jié)構(gòu)造成的表面粗化效果增加了光電探測器接收光子信號的效率。
[0004]對于襯底上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法有很多，比如激光切割、激光切割與反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的組合、砂輪切割、干法刻蝕、濕法刻蝕等等?？蛇x的襯底材質(zhì)包括藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化硼、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅、氧化鎵、尖晶石、鋁酸鋰、鋁鎂酸鈧、鎵酸鋰、鈮酸鋰、硼化鋯或硼化鉿等。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)一般采用激光切割與反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或其它干法刻蝕組合的辦法來實現(xiàn)在襯底上進(jìn)行圖形化或溝槽加工的方法在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，激光切割具有界面副產(chǎn)物附著吸光、碎屑沾染等缺點，而反應(yīng)離子刻蝕(RIE)則被用來處理激光刻蝕留下的副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)物會吸光。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，本方法既保留了激光切割的快速、高效、精確和低成本等優(yōu)點，同時又克服了激光切割的界面副產(chǎn)物附著、光學(xué)傳輸特性較差等缺點。本方法有機(jī)地結(jié)合了激光切割和砂輪切割的優(yōu)點，同時克服了各自的缺點，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，包括:
[0008]1、一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括:
[0009]I)使用激光切割機(jī)在襯底晶圓上開鑿溝槽結(jié)構(gòu)；
[0010]2)使用砂輪切割機(jī)對溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面修飾處理，清理溝槽結(jié)構(gòu)表面的附著物(副產(chǎn)物或碎屑等)；
[0011]3)清洗襯底晶圓，去除碎屑和雜質(zhì)。
[0012]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0013]進(jìn)一步，在I)中，所述襯底晶圓為未加工的襯底晶圓，或僅襯底一側(cè)經(jīng)過外延加工的晶圓，或僅襯底一側(cè)經(jīng)過外延和芯片加工后的晶圓。
[0014]進(jìn)一步，在I)中，所述襯底晶圓通過抽真空的方式吸附在激光切割機(jī)或砂輪切割機(jī)的載臺上；并且，激光切割機(jī)和砂輪切割機(jī)都具有精確控制溝槽輪廓三維尺寸的加工能力，它們的加工誤差均不超過15 μ m。
[0015]進(jìn)一步，在I)中，所述襯底晶圓的材質(zhì)為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化硼、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅、氧化鎵、尖晶石、鋁酸鋰、鎵酸鋰、鋁鎂酸鈧、鈮酸鋰、硼化鋯或硼化鉿中的一種。
[0016]進(jìn)一步，在I)中，所述激光切割機(jī)的光源為脈沖激光器，且單個激光脈沖寬度小于10-6秒。
[0017]進(jìn)一步，在2)中，所述砂輪切割機(jī)中的砂輪的磨料材質(zhì)為氧化鋁、碳化硅、氮化硼、金剛石中的至少一種。
[0018]進(jìn)一步，在2)中，所述清理溝槽結(jié)構(gòu)表面的附著物采用的方法為高速氣體噴吹或使用液體清洗。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]本方法采用激光切割和砂輪切割組合的方式，有機(jī)地結(jié)合了激光切割和砂輪切割的優(yōu)點，同時克服了各自的缺點，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。對于激光切割而言，其具有快速、高效、精確和低成本等優(yōu)點。但是，它同時具有界面副產(chǎn)物附著吸光、碎屑沾染等缺點。對于砂輪切割而言，其優(yōu)點在于其加工界面無副產(chǎn)物、且光學(xué)傳輸特征較好，而缺點在于加工速度慢、耗材成本高、加工精度較低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明提供的一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法的流程圖；
[0022]圖2為實施例1中襯底晶圓經(jīng)激光切割后形成溝槽結(jié)構(gòu)的截面(局部)示意圖；
[0023]圖3為實施例1中的襯底晶圓經(jīng)砂輪切割和清洗后溝槽結(jié)構(gòu)的截面(局部)示意圖；
[0024]圖4為實施例2中的襯底晶圓經(jīng)激光切割后形成溝槽結(jié)構(gòu)的截面(局部)示意圖；
[0025]圖5為實施例2中的襯底晶圓經(jīng)砂輪切割和清洗后溝槽結(jié)構(gòu)的截面(局部)示意圖；

【具體實施方式】
[0026]以下對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0027]實施例1
[0028]首先，選擇2英寸6H_SiC(0001)晶圓作為外延襯底晶圓，其厚度為330± 15 μ m，并且對藍(lán)光420nm至480nm波段透明。然后，在此襯底晶圓上進(jìn)行藍(lán)光LED外延結(jié)構(gòu)生長后，進(jìn)行倒裝芯片加工，即得到僅在襯底一側(cè)進(jìn)行外延、芯片加工的晶圓。
[0029]為提高LED器件的光線抽取效率，現(xiàn)設(shè)計在該LED器件晶圓上未進(jìn)行外延生長的一面，即6H-SiC襯底晶圓一側(cè)，進(jìn)行平行溝槽結(jié)構(gòu)的加工。溝槽的方向與襯底晶圓主定位邊成45°夾角。溝槽的橫截面為等邊三角形，溝槽的底寬為200μπι，溝槽之間的間距為80μπι，溝槽角度為60°。下面，采用本發(fā)明所述的加工方法，對以上的溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作。
[0030]第一步，使用激光切割機(jī)對LED器件晶圓上未進(jìn)行外延生長或芯片加工的6H_SiC襯底一側(cè)進(jìn)行溝槽基本結(jié)構(gòu)的加工。激光切割機(jī)的配置如下:激光器工作波長為1064nm紅外光，皮秒脈沖激光器，功率100W，Q頻率400kHz。為使溝槽結(jié)構(gòu)的幾何尺寸基本達(dá)到設(shè)計要求，加工尺寸應(yīng)比規(guī)格尺寸小，為下一步的砂輪切割留下余量。因此，當(dāng)激光切割得到的溝槽寬度為190 μ m時即可停止本步操作，而溝槽的角度保持在60°。此時溝槽的橫截面狀況如圖2所示，溝槽表面會有附著物(副產(chǎn)物或碎屑等)聚積。然后，使用高速氮氣噴槍對其表面進(jìn)行吹掃，以基本消除在溝槽表面積累附著物。
[0031]第二步，使用砂輪切割機(jī)對溝槽進(jìn)行表面修飾處理。砂輪的磨料采用金剛石。砂輪切割機(jī)沿著激光切割機(jī)開鑿的溝槽繼續(xù)加工，溝槽的截面保持等邊三角形不變，同時溝槽寬度從190 μ m增加到200 μ m,達(dá)到規(guī)格要求。如此加工后的溝槽表面基本無附著物,且表面的光學(xué)傳輸特性明顯改善。
[0032]第三步，采用清洗工藝處理，去除碎屑和雜質(zhì)。【具體實施方式】為:使用丙酮、異丙醇(IPA)各噴淋清洗10分鐘，并使用去離子水噴淋清洗10分鐘。最后，使用氮氣旋轉(zhuǎn)甩干或吹干處理。最后，加工后完成的溝槽橫截面狀況如圖3所示。
[0033]實施例2
[0034]首先，選擇2英寸4H_SiC(0001)晶圓作為外延襯底晶圓，其厚度為430± 15 μ m，并且對藍(lán)光420nm至490nm波段透明。然后，在此襯底晶圓上進(jìn)行藍(lán)光LED外延結(jié)構(gòu)生長后，進(jìn)行倒裝芯片加工，即得到僅在襯底一側(cè)進(jìn)行外延、芯片加工的晶圓。
[0035]為提高LED器件的光線抽取效率，現(xiàn)設(shè)計在該LED器件晶圓上未進(jìn)行外延生長的一面，即4H-SiC襯底晶圓一側(cè)，進(jìn)行平行溝槽結(jié)構(gòu)的加工。溝槽的方向與襯底晶圓主定位邊成30°夾角。溝槽的橫截面為等腰梯形，溝槽梯形的上底寬為200 μ m,下底寬為100 μ m,溝槽之間的間距為80μπι，梯形上底角度為60°，下底角度為120°。下面，采用本發(fā)明所述的加工方法，對以上的溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作。
[0036]第一步，使用激光切割機(jī)對LED器件晶圓上未進(jìn)行外延生長或芯片加工的4H_SiC襯底一側(cè)進(jìn)行溝槽基本結(jié)構(gòu)的加工。激光切割機(jī)的配置如下:激光器工作波長為375nm近紫外光，皮秒脈沖激光器，功率300W，Q頻率1000kHz。為使溝槽結(jié)構(gòu)的幾何尺寸基本達(dá)到設(shè)計要求，加工尺寸應(yīng)比規(guī)格尺寸小，為下一步的砂輪切割留下余量。因此，當(dāng)激光切割得到的溝槽上底寬度為190μηι、下底寬度為90μηι時即可停止本步操作,而溝槽下底角的角度保持在120°。此時溝槽的橫截面狀況如圖4所示，溝槽表面會有附著物(副產(chǎn)物或碎屑等)聚積。然后，使用高速氮氣噴槍對其表面進(jìn)行吹掃，以基本消除在溝槽表面積累附著物。
[0037]第二步，使用砂輪切割機(jī)對溝槽進(jìn)行表面修飾處理。砂輪的磨料采用金剛石。砂輪切割機(jī)沿著激光切割機(jī)開鑿的溝槽繼續(xù)加工，溝槽的截面保持等腰梯形不變，同時溝槽上寬度從190 μ m增加到200 μ m，下寬度從90 μ m增加到100 μ m,而溝槽梯形的腰也要進(jìn)行適當(dāng)切削，保證溝槽梯形的腰為直線，并和下底角形成120°夾角，最終達(dá)到規(guī)格要求。如此加工后的溝槽表面基本無附著物，且表面的光學(xué)傳輸特性明顯改善。
[0038]第三步，采用清洗工藝處理，去除碎屑和雜質(zhì)。【具體實施方式】為:使用丙酮、異丙醇(IPA)各噴淋清洗15分鐘，并使用去離子水噴淋清洗10分鐘。最后，使用氮氣旋轉(zhuǎn)甩干或吹干處理。最后，加工后完成的溝槽橫截面狀況如圖5所示。
[0039]為避免對眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件作冗余描述，本實施例僅對其中個別變化因素進(jìn)行了舉例。通過對其它結(jié)構(gòu)或工藝變化因素的調(diào)整亦能達(dá)到類似的效果，在此不作一一列舉。
[0040]以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明思想的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述內(nèi)容為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種在襯底晶圓上制作溝槽結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括: 1)使用激光切割機(jī)在襯底晶圓上開鑿溝槽結(jié)構(gòu)； 2)使用砂輪切割機(jī)對溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面修飾處理，清理溝槽結(jié)構(gòu)表面的附著物； 3)清洗襯底晶圓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在I)中，所述襯底晶圓為未加工的襯底晶圓，或僅襯底一側(cè)經(jīng)過外延加工的晶圓，或僅襯底一側(cè)經(jīng)過外延和芯片加工的晶圓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在I)中，所述襯底晶圓通過抽真空的方式吸附在激光切割機(jī)或砂輪切割機(jī)的載臺上；并且，激光切割機(jī)和砂輪切割機(jī)都具有精確控制溝槽輪廓三維尺寸的加工能力，它們的加工誤差均不超過15 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述襯底晶圓的材質(zhì)為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化硼、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅、氧化鎵、尖晶石、鋁酸鋰、鋁鎂酸鈧、鎵酸鋰、鋁鎂酸鈧、鈮酸鋰、硼化鋯或硼化鉿中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在I)中，所述激光切割機(jī)的光源為脈沖激光器，且單個激光脈沖寬度小于10_6秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在2)中，所述砂輪切割機(jī)中的砂輪的磨料材質(zhì)為氧化鋁、碳化硅、氮化硼、金剛石中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在2)中，所述清理溝槽結(jié)構(gòu)表面的附著物采用的方法為高速氣體噴吹或使用液體清洗。
【文檔編號】H01L33/00GK104377280SQ201410648259
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】馬亮, 胡兵, 劉素娟, 李金權(quán), 裴曉將 申請人:江蘇鑫博電子科技有限公司