CN104377280B - 一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，包括：使用激光切割机在衬底晶圆上开凿沟槽结构；使用砂轮切割机对沟槽结构进行表面修饰处理，清理沟槽结构表面的附着物；清洗衬底晶圆。本方法既保留了激光切割的快速、高效、精确和低成本等优点，同时又克服了激光切割的界面副产物附着、光学传输特性较差等缺点。本方法有机地结合了激光切割和砂轮切割的优点，同时克服了各自的缺点，实现了优势互补。

Description

一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法

技术领域

本发明涉及一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，属于光电子或电子器件的制造技术领域。

背景技术

以氮化物(AlN、GaN、InN与它们的合金)、碳化硅、氧化锌等材料为代表的宽禁带半导体(第三代半导体)产品目前正进入高速成长的时期。与传统的硅、砷化物等半导体材料相比，在高温、高功率、高频率、抗辐射和高能量转换效率的光电子或电子器件的应用场合，宽禁带半导体有卓越的优势。这些应用场合包括半导体照明、信息显示、光电探测器、高速铁路、新能源汽车、电力生产与输送、航空航天、雷达、通讯等。使用宽禁带半导体制造器件，首先要选择合适的衬底晶圆，如蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌等同质或异质材料，然后再在这些衬底上进行外延薄膜生长和器件加工。例如，已经产业化的氮化物、碳化硅材料，其设计的光电子或电子器件包括：发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、肖特基二极管(SD)、光电探测器(PD)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等等。本发明所述内容主要涉及氮化物材料的外延生长和器件加工。

在氮化物光电子或电子器件的外延生长和器件加工过程中，衬底晶圆的沟槽结构主要有两个重要作用：第一，沟槽结构有利于氮化物侧向外延生长模式的形成，减少位错缺陷的产生，提高外延晶体质量。第二，改善光线在介质界面处的传输特征。比如，增加LED器件的光线抽取效率，使得从衬底出射的光子数量增加，缓解了由于衬底材料高折射系数形成的全反射效应；又比如，沟槽结构造成的表面粗化效果增加了光电探测器接收光子信号的效率。

对于衬底上制作沟槽结构的方法有很多，比如激光切割、激光切割与反应离子刻蚀(RIE)的组合、砂轮切割、干法刻蚀、湿法刻蚀等等。可选的衬底材质包括蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、砷化镓、磷化铟、氧化锌、氧化镓、尖晶石、铝酸锂、铝镁酸钪、镓酸锂、铌酸锂、硼化锆或硼化铪等。

现有技术一般采用激光切割与反应离子刻蚀(RIE)或其它干法刻蚀组合的办法来实现在衬底上进行图形化或沟槽加工的方法在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，激光切割具有界面副产物附着吸光、碎屑沾染等缺点，而反应离子刻蚀(RIE)则被用来处理激光刻蚀留下的副产品，这些副产物会吸光。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，本方法既保留了激光切割的快速、高效、精确和低成本等优点，同时又克服了激光切割的界面副产物附着、光学传输特性较差等缺点。本方法有机地结合了激光切割和砂轮切割的优点，同时克服了各自的缺点，实现了优势互补。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，包括：

1、一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，其特征在于，包括：

1)使用激光切割机在衬底晶圆上开凿沟槽结构；

2)使用砂轮切割机对沟槽结构进行表面修饰处理，清理沟槽结构表面的附着物(副产物或碎屑等)；

3)清洗衬底晶圆，去除碎屑和杂质。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在1)中，所述衬底晶圆为未加工的衬底晶圆，或仅衬底一侧经过外延加工的晶圆，或仅衬底一侧经过外延和芯片加工后的晶圆。

进一步，在1)中，所述衬底晶圆通过抽真空的方式吸附在激光切割机或砂轮切割机的载台上；并且，激光切割机和砂轮切割机都具有精确控制沟槽轮廓三维尺寸的加工能力，它们的加工误差均不超过15μm。

进一步，在1)中，所述衬底晶圆的材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、砷化镓、磷化铟、氧化锌、氧化镓、尖晶石、铝酸锂、镓酸锂、铝镁酸钪、铌酸锂、硼化锆或硼化铪中的一种。

进一步，在1)中，所述激光切割机的光源为脉冲激光器，且单个激光脉冲宽度小于10^-6秒。

进一步，在2)中，所述砂轮切割机中的砂轮的磨料材质为氧化铝、碳化硅、氮化硼、金刚石中的至少一种。

进一步，在2)中，所述清理沟槽结构表面的附着物采用的方法为高速气体喷吹或使用液体清洗。

本发明的有益效果是：

本方法采用激光切割和砂轮切割组合的方式，有机地结合了激光切割和砂轮切割的优点，同时克服了各自的缺点，实现了优势互补。对于激光切割而言，其具有快速、高效、精确和低成本等优点。但是，它同时具有界面副产物附着吸光、碎屑沾染等缺点。对于砂轮切割而言，其优点在于其加工界面无副产物、且光学传输特征较好，而缺点在于加工速度慢、耗材成本高、加工精度较低。

附图说明

图1为本发明提供的一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法的流程图；

图2为实施例1中衬底晶圆经激光切割后形成沟槽结构的截面(局部)示意图；

图3为实施例1中的衬底晶圆经砂轮切割和清洗后沟槽结构的截面(局部)示意图；

图4为实施例2中的衬底晶圆经激光切割后形成沟槽结构的截面(局部)示意图；

图5为实施例2中的衬底晶圆经砂轮切割和清洗后沟槽结构的截面(局部)示意图；

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

首先，选择2英寸6H-SiC(0001)晶圆作为外延衬底晶圆，其厚度为330±15μm，并且对蓝光420nm至480nm波段透明。然后，在此衬底晶圆上进行蓝光LED外延结构生长后，进行倒装芯片加工，即得到仅在衬底一侧进行外延、芯片加工的晶圆。

为提高LED器件的光线抽取效率，现设计在该LED器件晶圆上未进行外延生长的一面，即6H-SiC衬底晶圆一侧，进行平行沟槽结构的加工。沟槽的方向与衬底晶圆主定位边成45°夹角。沟槽的横截面为等边三角形，沟槽的底宽为200μm，沟槽之间的间距为80μm，沟槽角度为60°。下面，采用本发明所述的加工方法，对以上的沟槽结构进行制作。

第一步，使用激光切割机对LED器件晶圆上未进行外延生长或芯片加工的6H-SiC衬底一侧进行沟槽基本结构的加工。激光切割机的配置如下：激光器工作波长为1064nm红外光，皮秒脉冲激光器，功率100W，Q频率400kHz。为使沟槽结构的几何尺寸基本达到设计要求，加工尺寸应比规格尺寸小，为下一步的砂轮切割留下余量。因此，当激光切割得到的沟槽宽度为190μm时即可停止本步操作，而沟槽的角度保持在60°。此时沟槽的横截面状况如图2所示，沟槽表面会有附着物(副产物或碎屑等)聚积。然后，使用高速氮气喷枪对其表面进行吹扫，以基本消除在沟槽表面积累附着物。

第二步，使用砂轮切割机对沟槽进行表面修饰处理。砂轮的磨料采用金刚石。砂轮切割机沿着激光切割机开凿的沟槽继续加工，沟槽的截面保持等边三角形不变，同时沟槽宽度从190μm增加到200μm，达到规格要求。如此加工后的沟槽表面基本无附着物，且表面的光学传输特性明显改善。

第三步，采用清洗工艺处理，去除碎屑和杂质。具体实施方式为：使用丙酮、异丙醇(IPA)各喷淋清洗10分钟，并使用去离子水喷淋清洗10分钟。最后，使用氮气旋转甩干或吹干处理。最后，加工后完成的沟槽横截面状况如图3所示。

实施例2

首先，选择2英寸4H-SiC(0001)晶圆作为外延衬底晶圆，其厚度为430±15μm，并且对蓝光420nm至490nm波段透明。然后，在此衬底晶圆上进行蓝光LED外延结构生长后，进行倒装芯片加工，即得到仅在衬底一侧进行外延、芯片加工的晶圆。

为提高LED器件的光线抽取效率，现设计在该LED器件晶圆上未进行外延生长的一面，即4H-SiC衬底晶圆一侧，进行平行沟槽结构的加工。沟槽的方向与衬底晶圆主定位边成30°夹角。沟槽的横截面为等腰梯形，沟槽梯形的上底宽为200μm，下底宽为100μm，沟槽之间的间距为80μm，梯形上底角度为60°，下底角度为120°。下面，采用本发明所述的加工方法，对以上的沟槽结构进行制作。

第一步，使用激光切割机对LED器件晶圆上未进行外延生长或芯片加工的4H-SiC衬底一侧进行沟槽基本结构的加工。激光切割机的配置如下：激光器工作波长为375nm近紫外光，皮秒脉冲激光器，功率300W，Q频率1000kHz。为使沟槽结构的几何尺寸基本达到设计要求，加工尺寸应比规格尺寸小，为下一步的砂轮切割留下余量。因此，当激光切割得到的沟槽上底宽度为190μm、下底宽度为90μm时即可停止本步操作，而沟槽下底角的角度保持在120°。此时沟槽的横截面状况如图4所示，沟槽表面会有附着物(副产物或碎屑等)聚积。然后，使用高速氮气喷枪对其表面进行吹扫，以基本消除在沟槽表面积累附着物。

第二步，使用砂轮切割机对沟槽进行表面修饰处理。砂轮的磨料采用金刚石。砂轮切割机沿着激光切割机开凿的沟槽继续加工，沟槽的截面保持等腰梯形不变，同时沟槽上宽度从190μm增加到200μm，下宽度从90μm增加到100μm，而沟槽梯形的腰也要进行适当切削，保证沟槽梯形的腰为直线，并和下底角形成120°夹角，最终达到规格要求。如此加工后的沟槽表面基本无附着物，且表面的光学传输特性明显改善。

第三步，采用清洗工艺处理，去除碎屑和杂质。具体实施方式为：使用丙酮、异丙醇(IPA)各喷淋清洗15分钟，并使用去离子水喷淋清洗10分钟。最后，使用氮气旋转甩干或吹干处理。最后，加工后完成的沟槽横截面状况如图5所示。

为避免对众多结构参数、工艺条件作冗余描述，本实施例仅对其中个别变化因素进行了举例。通过对其它结构或工艺变化因素的调整亦能达到类似的效果，在此不作一一列举。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述内容为准。

Claims (4)

1.一种在衬底晶圆上制作沟槽结构的方法，其特征在于，包括：

1)使用激光切割机在衬底晶圆上开凿沟槽结构，沟槽的横截面为等边三角形，沟槽的底宽为200μm，沟槽之间的间距为80μm，沟槽角度为60°，或沟槽的横截面为等腰梯形，沟槽梯形的上底宽为200μm，下底宽为100μm，沟槽之间的间距为80μm，梯形上底角度为60°，下底角度为120°，所述衬底晶圆为未加工的衬底晶圆，或仅衬底一侧经过外延加工的晶圆，或仅衬底一侧经过外延和芯片加工的晶圆，所述衬底晶圆通过抽真空的方式吸附在激光切割机或砂轮切割机的载台上；并且，激光切割机和砂轮切割机都具有精确控制沟槽轮廓三维尺寸的加工能力，它们的加工误差均不超过15μm；

2)使用砂轮切割机对沟槽结构进行表面修饰处理，清理沟槽结构表面的附着物，所述清理沟槽结构表面的附着物采用的方法为高速气体喷吹或使用液体清洗；

3)清洗衬底晶圆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底晶圆的材质为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、砷化镓、磷化铟、氧化锌、氧化镓、尖晶石、铝酸锂、铝镁酸钪、镓酸锂、铝镁酸钪、铌酸锂、硼化锆或硼化铪中的一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在1)中，所述激光切割机的光源为脉冲激光器，且单个激光脉冲宽度小于10^-6秒。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在2)中，所述砂轮切割机中的砂轮的磨料材质为氧化铝、碳化硅、氮化硼、金刚石中的至少一种。