CN101996943B - 材料层分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种材料层分离方法，其包括以下步骤：在一第一材料层上形成一高磁导率材料层；在该高磁导率材料层上形成一第二材料层，从而使该高磁导率材料层形成于该第一材料层与该第二材料层之间；冷却该第一材料层及第二材料层，使第一材料层及第二材料层产生收缩应力；利用一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层产生拉伸应力，从而分离该第一材料层与该第二材料层。

Description

材料层分离方法
技术领域
本发明涉及一种材料层分离方法，尤其涉及一种半导体器件的材料层分离方法。
背景技术
半导体器件一般由基板上磊晶生长半导体结构层而形成，如蓝光发光二极管由在蓝宝石基板上以有机金属化学气相沉积法（Metal-Organic ChemicalVapor Deposition,MOCVD）等方法磊晶生长三族氮化物半导体材料层（III-Nitride semiconductor）而形成。
然而，因蓝宝石基板热传效率不高，发光二极管产生的热无法有效散发出去，造成发光二极管内部的热堆积而影响发光二极管出光效率。另一方面，蓝宝石基板的热膨胀系数（thermal expansion coefficient）与三族氮化物半导体材料层不同，发光二极管受热升温后容易造成蓝宝石基板或半导体材料层弯曲形变，因此，一般三族氮化物半导体在蓝宝石基板上磊晶完成后会再移除该蓝宝石基板。
一般半导体材料层厚度很薄且易碎，基板提供半导体材料层支撑性及增加其机械强度，若无基板存在则易造成半导体材料层碎裂损坏，为了改善上述问题，现有技术提出基板置换技术，即在半导体材料层上增加一第二基板，然后将原先的蓝宝石基板移除。
现有的将基板与半导体材料层分离的方法大多使用激光分离（laserlift-off）技术。然而，使用激光照射半导体材料层与基板的分界处时，伴随着激光的高能量会被半导体层吸收，很可能会破坏半导体层的晶体结构，或使其切割面焦黑，使半导体光电元件的品质降低。
发明内容
下面将以实施例说明一种材料层分离方法，可提高半导体器件的品质。
一种材料层分离方法，用于分离半导体器件中的材料层，其包括以下步骤：在一第一材料层上形成一高磁导率材料层；在该高磁导率材料层表面形成一第二材料层，从而使该高磁导率材料层形成于该第一材料层与该第二材料层之间；冷却该第一材料层及第二材料层，使第一材料层及第二材料层产生收缩应力；利用一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层产生拉伸应力，所述第一材料层或第二材料层与高磁导率材料层之间发生应力拉扯并断开而自动分离，从而分离该第一材料层与该第二材料层。
一种材料层分离方法，用于分离半导体器件中的材料层，其包括以下步骤：在一第一材料层上形成一高磁导率材料层；按照一预定图案去除部分该高磁导率材料层，使第一材料层对应于该预定图案的部分暴露；在该第一材料层表面对应于该预定图案的部分生长一第二材料层并使该第二材料层覆盖该高磁导率材料表面；冷却该第一材料层及第二材料层，使第一材料层及第二材料层产生收缩应力；利用一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层产生拉伸应力，所述第一材料层或第二材料层与高磁导率材料层之间发生应力拉扯并断开而自动分离，从而分离该第一材料层与该第二材料层。
所述的材料层分离方法通过冷却第一及第二材料层并通过高频率射频加热高磁导率材料层，从而使待分离材料层与高磁导率材料层产生应力拉扯，待分离材料层与高磁导率材料层之间发生断裂从而完成相互分离，避免破坏半导体层的晶体结构，也避免了采用激光分离法造成的切割面焦黑，从而提高半导体器件的品质。
附图说明
图1是本发明第一实施例材料层分离方法的流程图。
图2是图1中所示的材料层分离方法的过程示意图。
图3是分别在未使用冷却体及使用冷却体时材料层各处温度梯度示意图。
图4是本发明第二实施例材料层分离方法的流程图。
图5是图3中所示的材料层分离方法的过程示意图。
图6是本发明第三实施例的材料层分离方法的过程示意图。
图7是本发明第四实施例的材料层分离方法的过程示意图。
图8是本发明第五实施例的材料层分离方法的过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参阅图1与图2，本发明第一实施例提供一种材料层分离方法，用于分离半导体器件中一半导体材料层与另一半导体材料层、或一半导体材料层与一绝缘体材料层，该材料层分离方法包括以下步骤。
步骤12，在第一材料层上形成一高磁导率材料层。
如图2(a)所示，一高磁导率材料层104以电镀或蒸镀等方法形成在一第一材料层102表面。该第一材料层102为阻磁材料，其可为半导体材料或是绝缘材料，但不限定于上述两种材料。
该高磁导率材料层104可以为钼合金（Mo-metal），透磁合金(permalloy)、电炉钢(electrical steel)、镍锌铁氧体(Nickel Zinc Ferrite)、锰锌铁氧体(manganese zinc ferrite)、钢(steel)、镍(nickel)等金属或合金。一般地，高磁导率材料层104的磁导率大于第一材料层102的阻磁材料两个数量级。一般地，第一材料层102的阻磁材料如蓝宝石的磁导率约为1.25N/A2，而高磁导率材料层104的磁导率等于或大于125N/A2。材料的磁导率举例如下表：
Figure GDA00003551373000031
步骤14，在该高磁导率材料层上形成第二材料层。
如图2(b)所示，在该高磁导率材料层104上形成第二材料层106，该第二材料层106为阻磁材料，其可为半导体材料或是绝缘体材料，但不限定于上述两种材料。第二材料层106与该第一材料层102可以为同质材料，第一材料层102与第二材料层106为同质材料，如第一材料层102和第二材料层106同为氮化镓层，形成一氮化镓缓冲层，高磁导率材料层104位于第一材料层102与第二材料层106形成的氮化镓缓冲层内；第二材料层106与该第一材料层102也可以为异质材料，如第一材料层102为蓝宝石基板，该第二材料层106为氮化镓缓冲层。
步骤16，冷却该第一材料层及第二材料层，并提供一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层与该第一材料层之间或该高磁导率材料层与该第二材料层之间发生应力拉扯并发生断裂，从而分离该第一材料层与该第二材料层。
如图2(c)、2(d1)及2(d2)所示，利用喷射冷却体108的方法冷却该第一材料层102及第二材料层106。该冷却体108可为冷却流体（cooling fluid），如液态氮、干冰、低温空气、低温水等物质，其具体实施可采用以下方式：将上述第一材料层102、高磁导率材料层104及第二材料层106放置于一反应腔体，向该反应腔体中通入冷却流体使其对第一材料层102和第二材料层106进行降温，经过热交换后的流体从反应腔体的出口排出。该冷却体108还可以为冷却装置，如半导体热电致冷器(thermoelectric cooler)，其实施方式为使固态冷却体108直接与上述组件相接触进行降温。
高频率射频110是一种频率介于3GHz至300GHz之间的电磁波，在高频率射频环境下，高磁导率材料层104会吸收高频率射频并产生高温。例如：将高频率射频线圈环绕上述第一材料层102、高磁导率材料层104及第二材料层106所形成的组件，利用高频率射频线圈产生的高频率射频使高磁导率材料层产生高温，但不限定于此方法。
因为第一材料层102及第二材料层106为阻磁材料，所以有高频率射频的环境下，第一材料层102及第二材料层106不会产生高温。因此在步骤16中，该高磁导率材料层104由于温度升高而发生膨胀，而第一材料层102及第二材料层106由于冷却体108的作用而降温收缩，此时第一材料层102与高磁导率材料层104之间、及高磁导率材料层104与第二材料层106之间发生相互的应力拉扯，由于第一材料层102与高磁导材料层104之间及第二材料层106与高磁导率材料层104之间分别具有一定的结合力，高磁导率材料层104升温过程中，高磁导率材料层104分别与第一材料层102和第二材料层106的应力拉扯力逐渐增加，当升至一定温度时，应力拉扯力会克服第一材料层102与高磁导材料层104之间或第二材料层106与高磁导率材料层104之间的结合力，使第一材料层102与高磁导率材料层104或第二材料层106与高磁导率材料层104相互挣脱分离（如图2（d）及图2（e）所示）。
第一材料层102与该第二材料层106分离后，还包括将第一材料层102及第二材料层106表面残留的高磁导率材料层104清除的步骤，清除该高磁导率材料层104的方法可以采用化学机械抛光（chemical mechanicalpolishing）方法、化学湿蚀刻（chemical wet etching）、干蚀刻(dry etching)等方法。
请参阅图3(a)及图3(b)，该第一材料层102、高磁导率材料层104及第二材料层106形成一组件，纵轴表示组件内沿与第一材料层102垂直的方向的位置，横轴表示组件的沿纵轴方向的各处的温度，为表示方便，该第一材料层102和第二材料层106的厚度相同。如图3(a)所示，当未使用该冷却体108对第一材料层102及第二材料层106所组成的组件加以冷却，仅使用高频率射频对高磁导率材料层104进行加热时，自高磁导率材料层104分别向第一材料层102及第二材料层106的方向温度梯度曲线为直线。如图3(b)所示，当同时使用冷却体108及射频对上述组件作用时，自高磁导率材料层104分别向第一材料层102及第二材料层106的方向温度梯度曲线为二次曲线，即越靠近高磁导率材料层104，温度梯度变化越大，使得高磁导率材料层104受热膨胀与第一材料层102、第二材料层106的冷却收缩所产生应力拉扯作用更大，因此可更有效地产生断开分离。
参见图4与图5，本发明第二实施例提供一种材料层分离方法，其包括以下步骤。
步骤22：在第一材料层上形成一高磁导率材料层。
如图5（a）所示，该第一材料层202可以为半导体材料层，也可以为绝缘材料，如蓝宝石衬底层等。当第一材料层202为半导体材料时，该第一材料层202以磊晶法形成，此时，该第一材料层202包括元素半导体及化合物半导体，元素半导体如硅、锗等，化合物半导体如四-四（IV-IV）族化合物半导体、三-五（III-V）族化合物半导体、二-六（II-VI)族化合物半导体。其中三-五族化合物半导体是发光二极管主要组成材料，如磷化铝铟镓系半导体、氮化铝铟镓系半导体、砷化铝镓系半导体等。一般作为蓝光发光二极管之氮化铝铟镓系半导体，其包括AlN，GaN，InN，AlGaN，GalnN，AlInN，AlGaInN等化合物半导体，其磊晶生长方法可为液相磊晶法（liquid-phaseepitaxy,LPE）、气相磊晶法（vapor-phase epitaxy,VPE）、有机金属气相沉积磊晶法（metal organic chemical vapor deposition,MOCVD）或是分子束磊晶法(molecular beam epitaxy,MBE）等。
本实施例中的高磁导率材料层204与第一实施例的高磁导率材料层204相同，这里不再赘述。
步骤24：按照一预定图案去除部分该高磁导率材料层，使第一材料层对应于预定图案的部分暴露。
如图5（b）所示，以光微影法对高磁导率材料层204进行处理，部分高磁导率材料层204被显影形成一预定图案，本实施例为按行列式排列的多个方格。该第一材料层202对应于高磁导率材料层204被显影的部分暴露于外界。对高磁导率材料层204进行图案化的原因如下：在步骤26中形成第二材料层时，由于原子排列晶格不匹配等因素，第二材料层可能无法直接磊晶生长于高磁导率材料层204上，因此步骤24中以光微影法图案化该高磁导率材料层204，使第一材料层202的表面对应于预定图案的部分暴露于外界，此时可以采用磊晶法在暴露于外界的第一材料层202上继续生长半导体材料层。
步骤26：于该第一材料层表面对应于该预定图案的部分生长一第二材料层并使该第二材料层覆盖该高磁导率材料表面。
如图5(c)及5（d）所示，以磊晶法在第一材料层202暴露于外界的表面继续生长半导体材料，并覆盖该高磁导率材料层204，形成第二材料层206，该第二材料层206可以为半导体材料或绝缘材料。该第二材料层206与第一材料层202可以为同质材料，如第一材料层202与第二材料层206同为GaN；第二材料层206与第一材料层202也可以为异质材料，如第一材料层202为蓝宝石衬底，第二材料层206的材料为GaN。
步骤28：冷却该第一材料层及第二材料层，并提供一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层与该第一材料层之间或该高磁导率材料层与该第二材料层之间发生应力拉扯并断开，从而分离该第一材料层与该第二材料层。
如图5(e)及图5(f)所示，冷却该第一材料层202及第二材料层206的方法与第一实施例的冷却方法相同，高频率射频加热该高磁导率材料层204的方法与第一实施例的高频率射频加热方法相同，这里不再赘述。第一材料层202及206的半导体材料为阻磁材料，因此其基本不会升温。该高磁导率材料层204由于高频率射频110的加热而发生膨胀，而第一材料层202及第二材料层206由于冷却体108的作用而降温收缩，此时第一材料层202与高磁导率材料层204之间及高磁导率材料层204与第二材料层206之间发生应力拉扯，当应力拉扯达到一定程度时，第一材料层202与高磁导率材料层204分离或第二材料层206与高磁导率材料层204分离，从而使该第一材料层202与该第二材料层206分离。如图5(f)所示，本实施例以第一材料层202与高磁导率材料层204相互分离为例。
第一材料层202与第二材料层206分离后，还包括将半导体材料层102及第二材料层206表面残留的高磁导率材料层204清除的步骤，清除该高磁导率材料层204的方法可以采用化学机械抛光（chemical mechanicalpolishing）方法、化学湿蚀刻（chemical wet etching）、干蚀刻(dry etching)等方法。
参见图6，本发明第三实施例提供一种材料层分离方法。本实施例的材料层分离方法与第二实施例的材料层分离方法相近，不同之处在于：本实施例的包括三层依次层叠设置的半导体材料层302、306及310，半导体材料层302与半导体材料层306之间具有第一高磁导率材料层304，半导体材料层306与半导体材料层310之间具有第二高磁导率材料层308，该第一及第二高磁导率材料层304和308分别具有以光微影法形成的图案，以利于在半导体材料层302的部分表面磊晶生长半导体材料层306，及在半导体材料层306的部分表面磊晶生长半导体材料层310。与第二实施例相类似，利用冷却体108冷却该半导体材料层302、306及310，并提供一高频率射频110加热该高磁导率材料层304及308，则可使半导体材料层302与半导体材料层306及半导体材料层310相互分离。
半导体材料层302、306及310相互分离后，还需包括将半导体材料层302、306及310表面残留的高磁导率材料清除的步骤。
请参阅图7，本发明第四实施例提供一种材料层分离方法，本实施例是将同质材料层相互分离。本实施例的材料层分离方法为第二实施例的材料层分离方法一具体实例，其为将一磊晶生长后的发光二极管40中的蓝宝石基板42进行分离的方法。本实施例磊晶生长后的发光二极管40包括依次堆叠的蓝宝石基板42、氮化镓缓冲层44、半导体发光结构层46及金属基板48。该半导体发光结构层46包括依次堆叠的n型氮化镓层462、多重量子井结构层464及p型氮化镓层466，该氮化镓缓冲层44内具有一图案化的高磁导率材料层442，该高磁导率材料层442将该氮化镓缓冲层44沿堆叠方向分成两层，且该氮化镓缓冲层44的两层在图案部分相互连接。
与第二实施例相类似，利用冷却体108冷却该氮化镓缓冲层44，并提供一高频率射频加热该高磁导率材料层442，则可使氮化镓缓冲层44的两层相互分离，即将蓝宝石基板42与该半导体发光结构46相互分离。
请参阅图8，本发明第五实施例提供一种材料层分离方法，本实施例的分离方法是将异质材料相互分离，此处以将磊晶生长后的发光二极管50中的蓝宝石基板52与半导体发光结构进行分离为例。本实施例的发光二极管50与第四实施例的发光二极管40基本相同，不同之处在于，高磁导率材料层542设置于蓝宝石基板52与氮化镓缓冲层54之间。利用冷却体108冷却氮化镓缓冲层54及蓝宝石基板52，并提供一高频率射频110加热该高磁导率材料层542，则可使蓝宝石基板52与半导体发光结构56相互分离。
本发明实施例的材料层分离方法通过冷却材料层并通过高频率射频加热高磁导率材料层，从而使待分离材料层与高磁导率材料层产生应力拉扯，待分离材料层与高磁导率材料层之间发生断裂从而完成相互分离，避免破坏半导体层的晶体结构，也避免了采用激光分离法造成的切割面焦黑。
再者，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如适当变更激光切割制程等以用于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (25)

1.一种材料层分离方法，用于分离半导体器件中的材料层，其包括以下步骤：
在一第一材料层上形成一高磁导率材料层；
在该高磁导率材料层表面形成一第二材料层，从而使该高磁导率材料层形成于该第一材料层与该第二材料层之间；
冷却该第一材料层及第二材料层，使第一材料层及第二材料层产生收缩应力；
利用一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层产生拉伸应力，所述第一材料层或第二材料层与高磁导率材料层之间发生应力拉扯并断开而自动分离，从而分离该第一材料层与该第二材料层。
2.如权利要求1所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和第二材料层为阻磁材料。
3.如权利要求1所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和第二材料层为半导体材料或绝缘材料。
4.如权利要求3所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层与第二材料层为同质材料。
5.如权利要求4所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和该第二材料层为半导体材料。
6.如权利要求3所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和该第二材料层为异质材料。
7.如权利要求6所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层为蓝宝石衬底层，该第二材料层为半导体材料。
8.如权利要求3所述的材料层分离方法，其特征在于，该半导体材料包括IV-IV族化合物半导体、III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体。
9.如权利要求8所述的材料层分离方法，其特征在于，该III-V族化合物半导体包括磷化铝铟镓系半导体、氮化铝铟镓系半导体、砷化铝镓系半导体。
10.如权利要求1所述的材料层分离方法，其特征在于，该高频率射频的频率范围为3Ghz至300Ghz。
11.如权利要求1所述的材料层分离方法，其特征在于，该高磁导率材料层的材料包括钼合金、透磁合金、电炉钢、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钢、和镍中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的材料层分离方法，其特征在于，提供一冷却体冷却该第一材料层及第二材料层。
13.如权利要求12所述的材料层分离方法，其特征在于，该冷却体为低温气体、低温液体或半导体热电致冷器。
14.一种材料层分离方法，用于分离半导体器件中的材料层，其包括以下步骤：
在一第一材料层上形成一高磁导率材料层；
按照一预定图案去除部分该高磁导率材料层，使第一材料层对应于该预定图案的部分暴露；
在该第一材料层表面对应于该预定图案的部分生长一第二材料层并使该第二材料层覆盖该高磁导率材料表面；
冷却该第一材料层及第二材料层，使第一材料层及第二材料层产生收缩应力；
利用一高频率射频加热该高磁导率材料层，使该高磁导率材料层产生拉伸应力，所述第一材料层或第二材料层与高磁导率材料层之间发生应力拉扯并断开而自动分离，从而分离该第一材料层与该第二材料层。
15.如权利要求14所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和第二材料层为半导体材料或绝缘材料。
16.如权利要求15所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层与第二材料层为同质材料。
17.如权利要求16所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和该第二材料层为半导体材料。
18.如权利要求15所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层和该第二材料层为异质材料。
19.如权利要求18所述的材料层分离方法，其特征在于，该第一材料层为蓝宝石衬底层，该第二材料层为半导体材料。
20.如权利要求15所述的材料层分离方法，其特征在于，该半导体材料包括IV-IV族化合物半导体、III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体。
21.如权利要求20所述的材料层分离方法，其特征在于，该III-V族化合物半导体包括磷化铝铟镓系半导体、氮化铝铟镓系半导体、砷化铝镓系半导体。
22.如权利要求14所述的材料层分离方法，其特征在于，该高频率射频的频率范围为3Ghz至300Ghz。
23.如权利要求14所述的材料层分离方法，其特征在于，该高磁导率材料层的材料包括钼合金、透磁合金、电炉钢、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钢、和镍中的一种或多种。
24.如权利要求14所述的材料层分离方法，其特征在于，提供一冷却体冷却该第一材料层及第二材料层。
25.如权利要求24所述的材料层分离方法，其特征在于，该冷却体为低温气体、低温液体或半导体热电致冷器。
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