CN102820393A - 复合衬底结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合衬底结构及其制作方法，该复合衬底结构包括由下至上依次设置的第一衬底层、不透明夹层以及第二衬底层；所述不透明夹层与第一衬底层和第二衬底层结合为一体，且所述第一衬底层和第二衬底层的热膨胀系数相同；当所述第一衬底层被置于一加热元件上时，所述不透明夹层用于吸收该加热元件发出的热辐射，利用吸收的热量加热第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面，所述不透明夹层对所述第二衬底内侧面的加热能够使得所述第二衬底层的外侧面的温度满足外延材料的生长温度。本发明可消除或减轻蓝宝石等衬底在高温条件下的翘曲问题，节约衬底材料以及简化芯片制造过程中衬底的减薄操作，降低LED芯片的制造成本，提高LED芯片良品率。

Description

复合衬底结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域的一种LED外延芯片，尤其涉及一种具有复合结构的LED芯片外延衬底及其制作方法。

背景技术

在制作GaN基LED芯片时，主要是将InGaN、GaN等材料和器件的外延层结构生长在蓝宝石、SiC、Si等衬底上。蓝宝石有许多优点，例如：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、成本低、晶体质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。但使用蓝宝石作为GaN基LED外延衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配、无法制作垂直结构的器件、难以进行减薄和切割等操作等。尤为突出的问题是，蓝宝石衬底的传热性差，其在高温加热时会因上下表面张力不同，或在上表面沉积不同薄膜后产生内部的应力积聚而发生翘曲(参阅图1)，若采用厚度较小的蓝宝石衬底，则翘曲的程度尤甚，进而导致外延生长的InGaN、GaN层等由于生长时沿着外延片径向温度分布不均匀而影响光电参数，比如发光波长、亮度或电压等的不均匀，造成良品率低下。

为克服此问题，业界发展了多种技术方案，例如，其中一种试行方案是通过对衬底加热设备的结构进行改进，以实现对蓝宝石衬底整体进行均匀加热，但这种方案往往会导致设备的结构变得非常复杂，制造成本大幅提高，且对蓝宝石衬底的加热改善有限，蓝宝石衬底仍然具有翘曲问题；另一种常见方案则是采用厚度较大的衬底，如厚度在430μm左右及以上的2英寸蓝宝石晶片或600μm左右及以上的4英寸蓝宝石晶片等作为衬底，以尽量使衬底在外延生长过程中保持平整，但这样做需要在外延层形成后对衬底进行额外的减薄，从而不仅会生产成本增加，而且还会增大衬底的减薄操作的难度和工作量，进而亦会大幅增加LED芯片的制造成本，且导致芯片的良率大幅降低。

发明内容

本发明解决的技术问题是提出了一种复合衬底结构及其制作方法，其可有效消除或减轻蓝宝石晶片等衬底在高温条件下进行外延生长时的翘曲问题，并可节约衬底材料以及简化LED芯片制作过程中衬底的减薄操作，大幅降低LED外延片的制造成本，从而克服现有技术中的诸多不足。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种复合衬底结构，包括由下至上依次设置的第一衬底层、不透明夹层以及第二衬底层；

所述不透明夹层与第一衬底层和第二衬底层结合为一体，且所述第一衬底层和第二衬底层的热膨胀系数相同；当所述第一衬底层被置于一加热元件上时，所述不透明夹层用于吸收该加热元件发出的热辐射，利用吸收的热量加热第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面，所述不透明夹层对所述第二衬底内侧面的加热能够使得所述第二衬底层的外侧面的温度满足外延材料的生长温度。

可选地，所述第一衬底层、不透明夹层和第二衬底层依次或同时结合为一体。

可选地，所述不透明夹层的材质为硅、石墨或者两者的组合。

可选地，所述第一衬底层和第二衬底层的材质为蓝宝石材料、ZnO材料、SiC中的一种或其中的组合。

可选地，所述外延材料的材质为GaN。

可选地，所述第一衬底层或/和第二衬底层的直径范围为2英寸，厚度范围为20～190μm；或所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底直径为4英寸，厚度范围为20～260μm；或所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底直径为6英寸，厚度范围为20～460μm。

可选地，所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为70～460μm；或，所述复合衬底结构直径为4英寸，厚度范围为110～660μm；或，所述复合衬底结构的直径为6英寸，厚度范围为190～1010μm。

可选地，所述不透明夹层的材质为石墨；

所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为80～450μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～180μm；所述复合衬底结构的直径为4英寸，厚度范围为120～650μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～250μm；或所述复合衬底结构的直径为6英寸，所述第一衬底层或/和第二衬底的厚度范围为30～450μm。

可选地，所述不透明夹层的材质为硅；

所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为80～450μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～180μm；所述复合衬底结构的直径为4英寸，厚度范围为120～650μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～250μm；或所述复合衬底结构的直径为6英寸，所述第一衬底层或/和第二衬底的厚度范围为30～450μm；

在所述外延材料形成后，所述不透明夹层和第二衬底层利用选择性腐蚀溶液与所述第一衬底层分离。

相应地，本发明还提供所述复合衬底结构的制作方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过提供包括第一衬底层、不透明夹层和第二衬底层的复合衬底结构，当所述第一衬底层放置于加热元件上时，所述不透明夹层能够吸收所述加热元件产生的高温热辐射，并且利用该不透明夹层对所述第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面进行加热，从而可实现对所述第二衬底层的各部位进行较为均匀地加热；并且由于所述第一衬底层和第二衬底层热膨胀系数相同，第一衬底层靠近夹层的内侧面上由于受热产生的热应力与所述第二衬底靠近夹层的内侧面上由于受热产生的热应力强度相同，但方向相反，可以相互抵消，从而减轻或消除由于热应力引起的翘曲变形，使得整个衬底结构保持平整状态；

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述不透明夹层的材质为石墨，与采用硅作为不透明夹层相比，石墨吸收来自加热元件的热辐射的效率比硅高，从而进一步提高了加热效率；

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述不透明夹层的材质为硅，可以通过选择性腐蚀方法将硅去除，从而实现将第二衬底层和所述第一衬底层分离，而无须对衬底进行常规的减薄工艺。

附图说明

图1是现有技术中蓝宝石衬底在高温条件下的结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

现有的采用蓝宝石等材料作为外延材料的衬底时，由于热应力容易产生翘曲变形，而且现有技术无论是改进外延设备还是采用厚度较大的外延衬底，均无法有效解决衬底翘曲变形的问题。

经过创造性劳动，本发明人提出采用复合衬底结构，该复合衬底结构包括位于两个独立的衬底层之间的不透明夹层，其中一个衬底层用于形成LED外延层，所述不透明夹层可接收来自加热元件的高温热辐射，从而在加热衬底层以供生长外延材料的过程中，可通过加热元件以热辐射方式首先加热所述不透明夹层，并再由该不透明夹层同时对两片独立衬底层进行加热，如此，与现有主要利用加热元件与衬底层采用热传导的方式进行加热的技术相比，本发明可实现对衬底层的各部位进行较为均匀的加热，另一方面，因两片独立的衬底层在受热时而产生的热应力可在其与不透明夹层的结合处相互抵消，从而减轻或消除了衬底层在受热时产生的翘曲，使衬底层保持平整状态。

具体而言，所述复合衬底结构包括由下至上依次设置的第一衬底层、不透明夹层以及第二衬底层；

所述不透明夹层与第一衬底层和第二衬底层结合为一体，且所述第一衬底层和第二衬底层的热膨胀系数相同；当所述第一衬底层被置于一加热元件上时，所述不透明夹层用于吸收该加热元件发出的热辐射，利用吸收的热量加热第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面，所述不透明夹层对所述第二衬底内侧面的加热能够使得所述第二衬底层的外侧面的温度满足外延材料的生长温度。

需要说明的是，本发明所述的第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面均是指所述第一衬底层和第二衬底层的与所述不透明夹层接触的表面，所述第一衬底层的外侧面和第二衬底层的外侧面均是指所述第一衬底层和第二衬底层的远离所述不透明夹层和内侧面的表面。

本发明所述的第一衬底层和第二衬底层的材质应为透明材质，且两者的膨胀系数相同。由于所述第一衬底层和第二衬底层热膨胀系数相同，当第一衬底层的内侧面上由于受热产生的热应力与所述第二衬底的内侧面上由于受热产生的热应力，强度相同，方向相反，从而可以相互抵消，从而减轻或消除衬底由于热应力引起的翘曲变形，从而使得整个衬底结构保持平整状态。

具体地，在所述第一衬底层和第二衬底层的热应力系数相同的前提下，所述第一衬底层和第二衬底层的材质相同，也可以不同。所述第一衬底层和第二衬底层的材质可以为蓝宝石、ZnO、SiC中的一种或多种。

所述第二衬底层用于形成外延层，所述外延层可以为GaN。在本发明的其他实施例中，所述外延层还可以为其他的外延材料。

当所述的第一衬底层或/和第二衬底层的直径范围为2英寸时，该第一衬底层和/或第二衬底层的厚度范围为20～190μm；当所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底直径为4英寸时，该第一衬底层和/或第二衬底层的厚度范围为20～260μm；当所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底直径为6英寸，所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底的厚度范围为20～460μm。在所述第一衬底层和第二衬底层在上述的数值范围内，本领域技术人员可以进行灵活设置。

在本发明的一个可选实施方式中，所述复合衬底结构的直径为2英寸，其厚度范围为70～460μm；在本发明的又一可选实施方式中，所述复合衬底结构直径为4英寸，厚度范围为110～660μm；在本发明的再一实施方式中，所述复合衬底结构的直径为6英寸，厚度范围为190～1010μm。

当所述复合衬底层的第一衬底层被放置于加热元件(该加热元件可以为现有的各种加热元件)，本发明所述的不透明夹层应能够有效吸收所述加热元件发出的热辐射的能量，并使第二衬底层的外侧面的温度满足外延生长所需的条件。更为具体地讲，根据组成不透明夹层的材料以及所要生长外延材料的种类，可通过调整不透明夹层的厚度，使之达到几乎完全吸收由加热元件所发出热辐射中的主要热辐射波段的程度，进而使不透明夹层可迅速升温，利用不透明夹层对第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面进行加热，从而可实现对所述第二衬底层的各部位进行较为均匀的加热，以避免由于受热不均匀引起的翘曲变形，并且该加热能够满足所述第二衬底层的外侧面的温度达到外延材料生长所需的温度。

所述不透明夹层的材质可以为硅、石墨或两者的组合(两者的组合可以为硅层与石墨层的组合，也可以为在硅材料层中掺杂石墨元素或者在石墨材料层中掺杂硅元素)。当然，本发明所述的不透明夹层也可以为其他的材质，该材质应能够有效吸收加热元件发出的热辐射，并且对第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面进行同时加热，该加热应能够使得所述第二衬底层的外侧面(用于形成外延材料的表面)的温度达到外延材料形成的温度。

在本发明的可选实施方式中，所述不透明夹层的材质为硅。事实上，参阅Virginia Semiconductor，Inc.公司所作的题为“optical properties of silicon”的研究报告，可以看到，Si的禁带宽度随着温度的逐渐升高而变小，如，在1000℃左右时，其禁带宽度基本在0.65ev左右，相对应的吸收波长在1.8～2.0μm左右，而一般来说，为满足GaN等外延材料的正常生长，其温度均在1000℃以上，在此条件下，根据黑体辐射基本定律(λm＝2.9*10-6m.K/T，λm为最大光辐射能力对应的波长，T为温度)加热元件所发出热辐射波的相当一部分能量在2μm以下，因此，此时以Si作为不透明夹层可以吸收加热元件所发出的大部分低于2μm的热辐射能量。当所述不透明夹层的材质为硅时，所述复合衬底结构的直径可以为2英寸，其厚度范围可以为80～450μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围可以为30～180μm；或所述复合衬底结构的直径可以为4英寸，厚度范围可以为120～650μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围可以为30～250μm；或所述复合衬底结构的直径为6英寸，所述第一衬底层或/和第二衬底的厚度范围为30～450μm。

由于石墨对于热辐射的吸收效率远高于Si晶体，因此对于石墨制成的不透明夹层而言，其在前述温度条件下加热效率会更高。在本发明的可选实施方式中，当所述不透明夹层的材质为石墨时，所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为80～450μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～180μm；所述复合衬底结构的直径为4英寸，厚度范围为120～650μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～250μm；或所述复合衬底结构的直径为6英寸，所述第一衬底层或/和第二衬底的厚度范围可以为30～450μm。

又及，前述不透明夹层的厚度主要由其本身所采用材料、加热元件的温度等因素决定，本领域技术人员经过有限次的试验等，可很容易的得出较优数据，但通常来讲，这些不透明夹层的厚度只要能达到可充分吸收加热元件发出的部分热辐射，且能迅速实现对其两侧的衬底层进行同时加热即可。

以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明。

参阅图2，该复合衬底结构1适用于制备GaN基LED芯片，其直径约2英寸，厚度在430μm左右，是由从下至上依次设置的第一衬底层12、不透明夹层13以及第二衬底层11组成，该不透明夹层13与第一衬底层12和第二衬底层11分别结合为一体。

该第一衬底层12和第二衬底层11均采用厚度在100μm左右的蓝宝石薄片，该不透明夹层13采用厚度在230μm左右的Si薄片。

当利用复合衬底结构1制备LED外延芯片时，可将该复合衬底结构1置于常规的石墨加热盘2上，在石墨加热盘2温度达到1100℃～1300℃左右时，不透明夹层13对石墨加热盘2发出的短波辐射吸收率在90％以上，并迅速升温至1000℃以上，且同时加热第一衬底层12的内侧面和第二衬底层11的内侧面，令第二衬底层12的外侧面的温度满足GaN等外延材料的生长温度，从而在第二衬底层12的外侧面形成外延层。此过程中，第一衬底层12和第二衬底层11中产生的热应力方向相反、大小相近，且因第一衬底层12、第二衬底层11均与不透明夹层13结合为一体，即相当于令第一衬底层12和第二衬底层11中产生的热应力(B向和A向)相互抵消，进而保持该复合衬底结构1整体在受热过程中保持平整，这样避免或减轻了第二衬底层11的翘曲，使得第二衬底层11外侧面的生长温度均匀，提高了LED外延芯片的良品率。

采用该复合衬底结构1形成的LED外延芯片的减薄工艺相对简单，只需将Si晶片作为不透明夹层13的复合衬底结构1放入选择性腐蚀溶液中，该选择性腐蚀溶液可以将不透明夹层13溶解去除。本实施例中，所述不透明夹层13的材质为硅，所述选择性腐蚀溶液为HF酸溶液，利用HF溶液对硅晶片具有选择性腐蚀的特性，将Si溶解，从而可以将第一衬底层12与第二衬底层11分离，从而所剩的即是在第二衬底层11上的GaN基外延片，这样就节省了传统磨抛的工艺过程。当然，在其他的实施例中，若所述不透明夹层13的材质为石墨或其他材质，可以采用其他的方法，例如等离子体刻蚀等方式将第一衬底层12与第二衬底层11分离。本发明所述的复合衬底结构的第一衬底层12、不透明夹层13和第二衬底层11可以分别利用减薄工艺制作，然后依次将第一衬底层12、不透明夹层13和第二衬底层11粘合为一体或依次将第一衬底层12、不透明夹层13和第二衬底层11堆叠后同时粘合为一体。本发明所述的粘合可以利用高温粘合剂粘合，也可以利用键合工艺、等离子体增强技术等方式粘合，本领域技术人员可以根据第一衬底层12、不透明夹层13和第二衬底层11的材质进行具体的选择。

当然，本发明复合衬底亦可采用其他规格，但优选设计为与常见衬底相近尺寸，这样可直接利用传统石墨盘等设备进行加热，而无需对LED外延芯片生产设备进行改动，从而节约了生产成本。

此外，若采用高温粘合剂、等离子增强粘合等方式将前述第一衬底层12、第二衬底层11与不透明夹层13粘合，则为防止第二衬底层11的外侧面因高温粘合剂等玷污或损伤而形成之缺陷影响芯片质量，也可在复合衬底粘合后，采用常规衬底磨抛工艺对复合衬底进行“开盒即用”的预处理。

当然，前述不透明夹层13亦可采用石墨薄片等材料，而第一衬底层12、第二衬底层11也不局限于由蓝宝石一种材料构成，亦可为本领域熟知的其它材料，如ZnO和SiC等。

综上，通过提供包括第一衬底层、不透明夹层和第二衬底层的复合衬底结构，当所述第一衬底层放置于加热元件上时，所述不透明夹层能够吸收所述加热元件产生的高温热辐射，并且利用该不透明夹层对所述第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面进行加热，从而可实现对所述第二衬底层的各部位进行较为均匀的加热，以避免由于受热不均匀引起的翘曲变形，并且该加热能够满足所述第二衬底层的外侧面的温度达到外延材料生长所需的温度；并且由于所述第一衬底层和第二衬底层热膨胀系数相同，当第一衬底层的内侧面上由于受热产生的热应力与所述第二衬底的内侧面上由于受热产生的热应力，大小相同，方向相反，可以相互抵消，从而减轻或消除整个衬底由于热应力引起的翘曲变形，使得整个衬底结构保持平整状态；

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述不透明夹层的材质为石墨，与采用硅作为不透明夹层相比，石墨吸收来自加热元件的热辐射的效率比硅高，从而进一步提高了加热元件的加热效率；

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述不透明夹层的材质为硅，可以通过选择性腐蚀的方法将硅溶解去除，从而实现将第二衬底层和所述第一衬底层分离，从而无须对衬底层进行常规的减薄工艺。

因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合衬底结构，其特征在于：包括由下至上依次设置的第一衬底层、不透明夹层以及第二衬底层；

所述不透明夹层与第一衬底层和第二衬底层结合为一体，且所述第一衬底层和第二衬底层的热膨胀系数相同；当所述第一衬底层被置于一加热元件上时，所述不透明夹层用于吸收该加热元件发出的热辐射，利用吸收的热量加热第一衬底层的内侧面和第二衬底层的内侧面，所述不透明夹层对所述第二衬底内侧面的加热能够使得所述第二衬底层的外侧面的温度满足外延材料的生长温度。

2.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，所述第一衬底层、不透明夹层和第二衬底层依次或同时结合为一体。

3.根据权利要求1或2所述的复合衬底结构，其特征在于，所述不透明夹层的材质为硅、石墨或者两者的组合。

4.根据权利要求1或2所述的复合衬底结构，其特征在于，所述第一衬底层和第二衬底层的材质为蓝宝石材料、ZnO材料、SiC中的一种或其中的组合。

5.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，所述外延材料的材质为GaN。

6.根据权利要求1或2所述的复合衬底结构，其特征在于，所述第一衬底层或/和第二衬底层的直径范围为2英寸，厚度范围为20～190μm；或所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底直径为4英寸，厚度范围为20～260μm；或所述第一衬底层或/和第二衬底层的衬底直径为6英寸，厚度范围为20～460μm。

7.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为70～460μm；或，所述复合衬底结构直径为4英寸，厚度范围为110～660μm；或，所述复合衬底结构的直径为6英寸，厚度范围为190～1010μm。

8.根据权利要求3的复合衬底结构，其特征在于，所述不透明夹层的材质为石墨；

所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为80～450μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～180μm；所述复合衬底结构的直径为4英寸，厚度范围为120～650μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～250μm；或所述复合衬底结构的直径为6英寸，所述第一衬底层或/和第二衬底的厚度范围为30～450μm。

9.根据权利要求3所述的复合衬底结构，其特征在于，

所述不透明夹层的材质为硅；

所述复合衬底结构的直径为2英寸，厚度范围为80～450μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～180μm；所述复合衬底结构的直径为4英寸，厚度范围为120～650μm，所述第一衬底层或/和第二衬底层的厚度范围为30～250μm；或所述复合衬底结构的直径为6英寸所述第一衬底层或/和第二衬底的厚度范围为30～450μm；

在所述外延材料形成后，所述不透明夹层和第二衬底层利用选择性腐蚀溶液与所述第一衬底层分离。

10.一种如权利要求1所述的复合衬底结构的制作方法。

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