專利名稱：一種藍寶石圖形襯底激光剝離的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電技術領域，尤其涉及一種藍寶石圖形襯底激光剝離的方法。
背景技術：
藍寶石晶片目前廣泛用作III-V族LED器件氮化物外延薄膜的襯底，然而由于氮化物和藍寶石大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)的差別，使得在襯底上生長的氮化物材料位錯和缺陷密度較大，影響了器件的發(fā)光效率和壽命。圖形化襯底(PSS)技術可以有效地減少外延材料的位錯和缺陷，在氮化物器件制備中得到了廣泛的應用。PSS(Patterned Sapphire Substrate)藍寶石圖形襯底，即通過先在藍寶石襯底上生長掩膜，并通過光刻工藝將掩膜刻出圖形，然后利用ICP刻蝕技術刻蝕藍寶石，并去掉掩膜，再在其上生長外延層；然后在Si或Cu支撐襯底作用下，激光剝離藍寶石襯底。剝離 過程中，通過采用激光照射藍寶石背面，從邊緣逐漸向內部照射，將鍵合至Si或Cu支撐襯底上的外延片整片從藍寶石上剝離。但是剝離過程中產(chǎn)生的氮氣不能及時排出，過高的氮氣氣壓將導致外延片破片的現(xiàn)象。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術中存在的藍寶石襯底剝離過程中導致外延片破片的技術問題。本發(fā)明提供了一種藍寶石圖形襯底激光剝離的方法，包括以下步驟
a.采用光刻膠對藍寶石襯底表面進行光刻顯影，形成所需形狀的掩模；
b.對經(jīng)過步驟a的藍寶石襯底進行感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕條件包括50胃<物理轟擊電極功率< 180W，400W彡化學反應電極功率< 850W ；
c.對經(jīng)過步驟b的藍寶石襯底進行清洗，去除掩膜；烘干后進行金屬有機物化學氣相沉積，在藍寶石襯底上形成外延層；
d.在外延層上表面鍵合Si或Cu基板，激光剝離去除藍寶石襯底。本發(fā)明提供的藍寶石圖形襯底激光剝離的方法，通過改變感應耦合等離子體(ICP)刻蝕的工藝條件，具體包括增大化學反應電極功率，并同時減小物理轟擊電極功率，增大藍寶石襯底被刻蝕圖形區(qū)域底部的溝槽，一方面使后續(xù)外延片橫向生長，改善應力分布，減少外延層中位錯密度；另一方面，增大底部的氮氣出氣孔，便于剝離過程中產(chǎn)生的氮氣及時排除，從而有效防止藍寶石襯底剝離過程中的外延片破片現(xiàn)象的發(fā)生。


圖I是對藍寶石襯底進行光刻顯影的示意圖。圖2是ICP刻蝕藍寶石襯底后的結構示意圖。圖3是藍寶石襯底表面清洗去除掩膜后的結構示意圖。圖4是藍寶石襯底表面生長外延層的結構示意圖。
圖5是外延層上鍵合支撐襯底后的結構示意圖。圖6是激光剝離后外延層與支撐襯底的結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種藍寶石圖形襯底激光剝離的方法，包括以下步驟
a.采用光刻膠對藍寶石襯底表面進行光刻顯影，形成所需形狀的掩模；
b.對經(jīng)過步驟a的藍寶石襯底進行感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕條件包括50胃<物 理轟擊電極功率< 180W，400W彡化學反應電極功率< 850W ；
c.對經(jīng)過步驟b的藍寶石襯底進行清洗，去除掩膜；烘干后進行金屬有機物化學氣相沉積，在藍寶石襯底上形成外延層；
d.在外延層上表面鍵合Si或Cu基板，激光剝離去除藍寶石襯底。具體地，如圖I所示，先在藍寶石襯底I上覆蓋光刻膠，然后進行光刻顯影，去除部分光刻膠，得到具有所需形狀的光刻膠層即掩膜2。本發(fā)明中，所采用的光刻膠可為現(xiàn)有技術中各種常見的含有樹脂、感光劑和溶劑的混合物。其中，樹脂、感光劑和溶劑的種類為本領域技術人員所公知。例如，樹脂可采用現(xiàn)有技術中常見的各種丙烯酸類共聚物，具體地，可采用甲基丙烯酸樹脂、有機硅改性丙烯酸樹脂、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚氨酯丙烯酸酯樹脂、聚酯丙烯酸酯樹脂、聚醚丙烯酸酯樹脂、聚丙烯酸丙酯樹脂中的一種或多種。所述感光劑可采用各種疊氮醌類化合物，例如偶氮二異丁腈(AIBN)、I，2- 二疊氮醌-4-磺酸酯、I，2- 二疊氮-5-磺酸酯或I，2- 二疊氮醌_6_磺酸酯。所述溶劑可選自乙酸丙二醇單甲基醚酯、環(huán)己酮、乳酸乙酯中的至少一種。本發(fā)明中，所述光刻膠可直接采用各種商購產(chǎn)品，例如可以采用AZ703。所述光刻顯影的步驟包括將表面覆蓋有光刻膠的藍寶石襯底置于紫外光下進行輻射，其中紫外光輻射區(qū)域的光刻膠層在顯影后被保留，未輻射區(qū)域被顯影去除，從而在藍寶石襯底表面形成具有特定所需形狀的掩膜。優(yōu)選情況下，曝光劑量為120-160mj/cm2。所述掩膜的形狀可根據(jù)要形成的圖形進行控制，例如可以為圓形、方形或條紋狀，本發(fā)明沒有特殊限定。光刻顯影完成后，然后對藍寶石襯底進行ICP刻蝕。ICP刻蝕過程中，未被掩膜2遮蓋區(qū)域的藍寶石襯底I被刻蝕，掩膜2遮蓋區(qū)域未被刻蝕形成島狀區(qū)域11，從而在藍寶石襯底I上形成刻蝕圖形，同時刻蝕圖形底部產(chǎn)生溝槽12，如圖2所示。本發(fā)明中，通過改變刻蝕條件，即通過增大化學反應電極功率同時減小物理轟擊電機功率，可以增大刻蝕圖形底部的溝槽12的面積，一方面使后續(xù)外延片3橫向生長，改善應力分布，減少外延層3中位錯密度；另一方面，增大底部的氮氣出氣孔，便于剝離過程中產(chǎn)生的氮氣及時排除，從而有效防止藍寶石襯底剝離過程中的外延片破片現(xiàn)象的發(fā)生。具體的，本發(fā)明中，50 物理轟擊電極功率< 180W，400W彡化學反應電極功率< 850W。所述ICP刻蝕通過ICP刻蝕設備進行，例如可以采用北方微電子公司開發(fā)的ELEDE 330高密度等離子體ICP刻蝕機。本發(fā)明中，由于藍寶石(Al2O3)襯底中Al-O鍵的鍵能較大，因此ICP刻蝕采用的氣體為BCl3與Cl2的混合氣體，混合氣體的流量為40-55sccm。混合氣體中，主刻蝕氣體為BCl3，其分解產(chǎn)生的Cl可以與Al2O3發(fā)生化學反應，刻蝕機理如下式所示。
BCl3 — BClx + Cl (x=0，1,2)
Al2O3 + BCl3 — Al + BOCly + Cl (y=l，2，3)
Al2O3 + BClx — Al + BOClz + Cl (z=l，2，3)Cl + Al — AlCl3
混合氣體中的Ci2會分解產(chǎn)生cr、cr和Cl，其中Cl+能促進icp刻蝕過程中的物理轟擊；另外，Cl2的存在能減弱活性氯原子相互結合的幾率，保證ICP刻蝕過程中刻蝕離子的濃度。優(yōu)選情況下，混合氣體中，BCl3的流量為32-40SCCm，Cl2的流量為8-15sCCm。本發(fā)明中，刻蝕條件還包括壓力為2-8mTorr，刻蝕時間為3-10min。ICP刻蝕的溫度無需過高，優(yōu)選情況下，刻蝕溫度為20-130°C。根據(jù)本發(fā)明的方法，ICP刻蝕完成后，對藍寶石襯底進行清洗。清洗的主要作用用于除去藍寶石襯底I島狀區(qū)域11上覆蓋的掩膜2，清洗后的藍寶石襯底I的結構如圖3所示，清洗去除掩膜2后有利于后續(xù)外延層3的生長。所述清洗的方法為本領域技術人員所公知，其根據(jù)ICP刻蝕溫度不同而不同。例如，ICP刻蝕溫度低于130°C時，則清洗過程僅需將藍寶石襯底浸泡于丙酮溶液中超聲清洗即可除去掩膜。若ICP刻蝕溫度高于130°C，掩膜在ICP刻蝕過程中碳化，則難以用丙酮溶除，此時須將藍寶石襯底先在600-800°C下退火，然后浸泡于含有濃硫酸和雙氧水的混合溶液中進行超聲清洗以溶除碳化后的掩膜。清洗完成后，烘干所述藍寶石襯底。然后，將藍寶石襯底進行金屬有機物化學氣相沉積，在藍寶石襯底I上形成外延層3，如圖4所示。所述金屬有機物化學氣相沉積的方法為本領域技術人員所公知，包括將藍寶石襯底置于MOCVD (金屬有機物化學氣相沉積)反應腔體中，從而在藍寶石襯底上形成外延層。本發(fā)明中，由于經(jīng)過ICP刻蝕的藍寶石襯底I表面具有島狀區(qū)域11，因此外延層3在生長過程中主要為橫向生長，可以降低外延層3與藍寶石襯底I界面處由于激光照射而產(chǎn)生的應力，減少后續(xù)剝離過程中外延片的損傷。本發(fā)明中，襯底為藍寶石，因此形成的外延層優(yōu)選采用氮化鎵(GaN)。GaN為寬禁帶(3. 4eV)直接帶隙半導體材料，通過適當摻雜可實現(xiàn)整個可見光譜的發(fā)光。具體地，金屬有機物化學氣相沉積的步驟包括將ICP刻蝕后的藍寶石襯底置于MOCVD反應腔體中，反應氣體采用三甲基鎵(TMGa)和NH3的混合氣體，載氣采用H2，先在520°C下在藍寶石襯底上生長第一層，然后在1000-106(TC下在第一層上繼續(xù)生長第二層，形成所述外延層。MOCVD反應腔體中壓強為lOOtorr。優(yōu)選情況下，生長第一層時三甲基鎵的流量為40-120iimol/min，NH3的流量為0. 1-0. 3mol/min ;生長第二層時三甲基鎵的流量為40-120 y mol/min，NH3的流量為0. 2-0. 6mol/min。更優(yōu)選情況下,第一層的厚度為20_25nm,第二層的厚度為2 y m。形成外延層3后，然后在外延層3的上表面鍵合支撐襯底4，如圖5所示。所述支撐襯底4的材料為本領域技術人員所公知，例如可以為Si或Cu基板。所述鍵合的步驟為本領域技術人員所公知，本發(fā)明中不再贅述。鍵合完成后，還需將鍵合后的體系置于真空室中抽走氣泡，以保證外延片3與支撐襯底4之間均勻無空洞的緊密接觸。最后，采用激光照射剝離藍寶石襯底1，將附著于支撐襯底4上的外延片3從藍寶石襯底I上整片剝離，剝離后外延片3與支撐襯底4的結構如圖6所示。激光照射時可從藍寶石襯底I的底部向上照射，也可從支撐襯底4的上方向下照射。本發(fā)明中，由于藍寶石襯底I上形成有島狀區(qū)域11，因此外延層3與藍寶石襯底I的結合部分較少；另外，刻蝕圖形底部具有較大的溝槽12，能及時排除剝離過程中產(chǎn)生的氮氣，因此剝離過程中不會產(chǎn)生外延片破片的現(xiàn)象，另外還能降低激光能量，即本發(fā)明中采用較低能量的激光束即可實現(xiàn)藍寶石襯底I的剝離。本發(fā)明中，激光照射時刻采用常見的各種激光器，例如可以采用KrF準分子激光器。優(yōu)選情況下，激光剝離的條件包括激光波長248nm、能量密度400mJ/cm2，光斑尺寸為O. 5mmX O. 5mm,脈沖寬度為30ns,照射時間為5_10s。以下結合實施例對本發(fā)明作進ー步說明。實施例I
(1)在藍寶石襯底上涂覆光刻膠AZ703，然后置于紫外光下進行曝光，曝光劑量為 150mj/cm2,形成具有條紋狀掩膜。
(2)將表面具有條紋狀掩膜的藍寶石襯底置于ELEDE 330高密度等離子體ICP刻蝕機中進行ICP刻蝕，刻蝕條件為
反應室溫度為120°C，壓カ為5mTorr，刻蝕氣體為BCl3與Cl2的混合氣體(其中BCl3的流量為36SCCm，Cl2的流量為9SCCm)，物理轟擊電極功率為150W，化學反應電極功率為600W，刻蝕時間為5min。
(3)ICP刻蝕完畢后，將上述藍寶石襯底浸泡到丙酮溶液中，超聲清洗5min，并烘干。
(4)將上述藍寶石襯底置于MOCVD反應腔體中，采用TMGa和NH3作為反應氣體，載氣為H2，先在520°C下生長厚度為25nm第一層GaN層(TMGa流量為40 μ mol/min, NH3流量為O. lmol/min);然后升高溫度至1050°C，繼續(xù)生長厚度為2 μ m第二層GaN層(TMGa流量為40 μ mol/min, NH3流量為O. 2mol/min),從而形成GaN外延層。
(5)在外延片的上表面鍵合Si基板，并置于真空室中抽走氣泡，然后采用KrF準分子激光器照射藍寶石襯底的底面，照射條件為激光波長為248nm，能量密度400mJ/cm2，光斑尺寸為O. 5mmX O. 5mm，脈沖寬度30ns，照射時間7s,同時將外延片連同Si基板從藍寶石襯底上剝離，剝離過程中外延片無破片現(xiàn)象。實施例2
采用與實施例I相同的步驟進行，不同之處在于步驟(2)中，物理轟擊電極功率為50W，化學反應電極功率為850W，刻蝕時間為5min。實施例3
采用與實施例I相同的步驟進行，不同之處在于步驟(2)中，物理轟擊電極功率為170W，化學反應電極功率為450W，刻蝕時間為5min。實施例4
采用與實施例I相同的步驟進行，不同之處在于
步驟(2)中，反應室溫度為180°C ；
步驟(3)中，將藍寶石襯底于700°C下退火，然后置于含有98wt%的濃H2SO4和H2O2 (體積比為15 1)的混合溶液中超聲清洗5min，烘干。對比例I
采用與實施例I相同的步驟進行，不同之處在于物理轟擊電極功率為180W，化學反應電極功率為400W，刻蝕時間為5min。性能測試
重復實施例1-4和對比例I的步驟100次，記錄剝離后的外延片的良品率，結果如表I所示。
表I
權利要求
1.一種藍寶石圖形襯底激光剝離的方法，其特征在于，包括以下步驟 a.采用光刻膠對藍寶石襯底表面進行光刻顯影，形成所需形狀的掩模； b.對經(jīng)過步驟a的藍寶石襯底進行感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕條件包括50胃<物理轟擊電極功率< 180W，400W <化學反應電極功率彡850W ； c.對經(jīng)過步驟b的藍寶石襯底進行清洗，去除掩膜；烘干后進行金屬有機物化學氣相沉積，在藍寶石襯底上形成外延層； d.在外延層上表面鍵合Si或Cu基板，激光剝離去除藍寶石襯底。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟a中，光刻膠為含有樹脂、感光劑和溶劑的混合物。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的方法，其特征在于，步驟a中，光刻顯影的步驟包括將表面涂覆有光刻膠的藍寶石襯底置于紫外光下輻射曝光，曝光劑量為120-160mj/cm2。
4.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟a中，掩模的形狀為圓形、方形或條紋狀。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟b中，刻蝕條件還包括溫度20-130 °C，壓力為2-8mTorr，刻蝕氣體為BCl3與Cl2的混合氣體，混合氣體的流量為40-55sccm，刻蝕時間為 3-lOmin。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，混合氣體中，BCl3的流量為32-40SCCm，Cl2的流量為8_15sccm。
7.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中，金屬有機物化學氣相沉積的步驟包括反應氣體為三甲基鎵和NH3，載氣為H2，先在520°C下在藍寶石襯底上生長第一層，然后在1000-106(TC下在第一層上繼續(xù)生長第二層，形成所述外延層。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟c中，金屬有機物化學氣相沉積的條件包括壓強為IOOtorr ;生長第一層時三甲基鎵的流量為40-120 iimol/min，NH3的流量為0. 1-0. 3mol/min ;生長第二層時三甲基鎵的流量為40-120 y mol/min，NH3的流量為0.2-0. 6mol/min。
9.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟d中，還包括外延層上表面鍵合Si或Cu基板之后真空抽氣泡的步驟。
10.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟d中，激光剝離的條件包括激光波長為248nm，能量密度為400mJ/cm2，光斑尺寸為0. 5mmX0. 5mm，脈沖寬度為30ns，照射時間為 5-10s。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種藍寶石圖形襯底激光剝離的方法，包括以下步驟a．采用光刻膠對藍寶石襯底表面進行光刻顯影，形成所需形狀的掩模；b．對經(jīng)過步驟a的藍寶石襯底進行感應耦合等離子體刻蝕，刻蝕條件包括50W≤物理轟擊電極功率＜180W，400W≤化學反應電極功率＜850W；c．對經(jīng)過步驟b的藍寶石襯底進行清洗，去除掩膜；烘干后進行金屬有機物化學氣相沉積，在藍寶石襯底上形成外延層；d．在外延層上表面鍵合Si或Cu基板，激光剝離去除藍寶石襯底。本發(fā)明提供的方法，能有效防止藍寶石襯底剝離過程中的外延片破片現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號H01L33/00GK102751397SQ20111010145
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權日2011年4月22日
發(fā)明者周維, 薛進營, 趙圣哲, 鐘澤 申請人:比亞迪股份有限公司