CN104868020B - 一种回收蓝宝石衬底的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对现有技术存在的蓝宝石衬底生产成本高、衬底不能重复利用的问题,提供一种回收蓝宝石衬底的方法,该方法在使用物理性高温烘烤的同时,配合湿法腐蚀,用特殊的腐蚀液不仅可以清除氮化镓颗粒和一般残留物,对难熔金属残留物和表面油污的去除效果也很显著。该方法可以针对PSS衬底和平片衬底进行可持续回收,回收周期短、操作简单、成本低廉,经过上述操作流程,每片蓝宝石衬底均可达到衬底初次使用水平、产出高质量外延片,目单片回收成本仅需10元。

Description

一种回收蓝宝石衬底的方法
技术领域
本发明涉及一种回收蓝宝石衬底的方法,属于光电子技术领域。
背景技术
氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点,因此在高亮度蓝色发光二极管(LED)、蓝色半导体激光器(LD)以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN基LED应用领域的多样性决定了其市场需求十分火热,2010年,中国大陆和台湾地区都出现了供不应求的的现象。
在外延生长过程中,由于工艺波动或者设备异常等不可控因素,会产出一些不满足入库标准的无法投料的废外延片,对于这些外延片通常只能进行报废处理。报废的外延片中分摊的衬底、水电、MO源用量都是一笔较大的资源浪费,其中衬底费用是整个外延过程中不可忽视的大开支。如果可以想办法对外延片进行处理,使其恢复为可用状态,将极大地节约成本。一片衬底能够多次生长直至参数达标,降低了外延成本,可以创造大量的利润。
随着半导体技术的发展,金属氧化物半导体工艺相关器件的特征尺寸不断缩小,至今已达到22nm量级。由此,表面缺陷也成为影响器件合格率的重要因素之一。在特征尺寸不断减小的趋势下,减小表面缺陷成为工艺发展的必然要求。表面缺陷通常包含工艺过程中的颗粒以及相关工艺过程的残留物,工艺过程中的颗粒可通过提高洁净度等方式克服,而相关工艺过程的残留物往往需通过后续特定的工艺步骤去除。
目前,业界对半导体相关工艺过程的残留物的去除方法已有不少研究。其中大多集中在湿法清洗的领域,例如对清洗溶液的组分、清洗的步骤等有诸多讨论,但均需要增加额外的材料和时间成本。另外,对一些含特定杂质如难熔金属的残留物去除效果也不够理想。此外,也可通过等离子体处理的方式进行表面处理,以去除相关工艺过程的残留物。对于含难熔金属的残留物(也称为难熔金属残留物)的去除,需要开发一种工艺过程简单、易于实现、成本可控、适于实际生产的表面处理方法。
美国专利专利US7759249提出了一种利用氮氧化合物(NxOy)等离子体进行刻蚀后处理的方法,但其仅限于一般残留物的去除,并不特别涉及难熔金属残留物的去除,且该专利主要讨论的是实现相关工艺的设备结构配置,对工艺过程的介绍不大深入。
中国专利文献CN102593285A提供了一种回收图形化蓝宝石衬底的方法,通过ICP干法刻蚀去除PSS上的外延层,然后通过湿法腐蚀去除干法刻蚀导致的刻蚀损伤和脏污等缺陷,从而得到可以重新利用的PSS,极大的提高了PSS的利用率,进而降低了LED的生产成本。此外,该回收方法简单,回收周期短、效果好;但此方法只针对PSS衬底,对于平片衬底效果不理想。
中国专利文献CN102176415A公开的“衬底表面处理方法”,公开了一种衬底表面处理方法,所述衬底上形成有图形化膜层,所述图形化膜层上具有难熔金属残留物,所述衬底表面处理方法包括:执行刻蚀工艺,以去除所述图形化膜层上的难熔金属残留物;其中,所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成,所述反应性气体包含有卤族元素。本发明可减少对衬底表面的损伤,改善衬底表面的平整度。但是,该方法使用的刻蚀工艺较复杂,设备的生产成本较高。
发明内容
针对现有技术不足,本发明提供一种回收蓝宝石衬底的方法。此方法结合了物理性高温烘烤和湿法腐蚀,物理性高温烘烤可以实现外延层和衬底层的剥离,然后通过湿法腐蚀将剥离的外延层泡洗干净,不仅可以清除氮化镓颗粒和一般残留物,对难熔金属残留物和表面油污的去除效果也很显著,本方法可以对PSS衬底和平片衬底进行回收。
术语解释:
1、LED:Light Emitting Diode,发光二极管的简称。
2、LD:Laser Diode,激光器的简称。
3、PSS:Patterned Sapphire Substrates,图形化蓝宝石衬底的简称。
本发明的技术方案如下:
一种回收蓝宝石衬底的方法,包括步骤如下:
取废外延片、第一次高温烘烤、第一次清洗、第二次高温烘烤、第二次清洗、循环N个周期。
(1)取废外延片,
领取废外延片,核对晶片数目,并检查晶片是否完整;
(2)第一次高温烘烤,
将废外延片放入高温烘烤炉内进行第一次高温烘烤,烘烤时间为2-15小时,烘烤温度为800-1800℃,烘烤室内气氛为氮气和氢气的混合气,其中,氢气所占的体积比为0%-20%;
(3)第一次清洗,
经过上述步骤(2)烘烤后的外延片,进行第一次清洗,所述第一次清洗的腐蚀液为浓酸和双氧水的混合液,浓酸的浓度为70%-98%,浓酸和双氧水的混合比在1∶10-5∶2之间,腐蚀时间为5-25分钟;
(4)第二次高温烘烤,
经过上述步骤(3)第一次清洗后的外延片再放入高温烘烤炉内进行第二次高温烘烤,烘烤时间为1-16小时,烘烤温度为800-2000℃,烘烤室内气氛为氮气和氨气,其中,氨气所占的体积比为0%-15%;
(5)第二次清洗,
经过步骤(4)第二次高温烘烤后的外延片,再进行第二次清洗,清洗的腐蚀液为浓酸和双氧水的混合液以及碱和双氧水的混合液,先用腐蚀液为浓酸和双氧水的混合液清洗,其中浓酸的浓度为75%-98%,浓酸和双氧水的混合比在2∶15-5∶2之间,腐蚀时间为5-25分钟;再用碱和双氧水的混合液清洗,其中碱液的浓度为57%-89%,碱液和双氧水的混合比在1∶3-2∶1之间,腐蚀时间不少于2分钟;
(6)检验外延片表面,包括目检和镜检,
对经上述处理的外延片进行形貌检验,如果不存在残留杂质,则分类入库使用;如果仍存在残留氮化镓等杂质,则从第一次高温烘烤或第二次高温烘烤开始循环重复,直至达到衬底的生长标准。
根据本发明优选的,所述浓酸包括硫酸、磷酸、硝酸或盐酸;
根据本发明优选的,所述碱液包括氨水或双氧水;
根据本发明优选的,所述回收步骤循环周期数N≥0。
本发明的优良效果:
1、本发明使用物理性高温烘烤,氮气的保护作用可以防止蓝宝石衬底的损伤,少量的氢气可以更好地实现外延层和衬底层的剥离,而少量的氨气可以将衬底表面氨化,更有利于外延生长。
2、本发明在使用物理性高温烘烤的同时,配合湿法腐蚀,用特殊的腐蚀液不仅可以清除氮化镓颗粒和一般残留物,对难熔金属残留物和表面油污的去除效果也很显著。
3、本发明提供一种针对PSS衬底和平片衬底的可持续的回收方法,回收周期短、操作简单、成本低廉,经过上述操作流程,每片蓝宝石衬底均可达到衬底初次使用水平、产出高质量外延片,且单片回收成本仅需10元。
附图说明
图1是LED外延片的结构示意图;
图2是本发明中提供的回收蓝宝石衬底的方法的流程图;
图3是LED外延片采用本发明的回收方法后的效果示意图;
图4是LED外延片采用本发明的回收方法后的衬底SEM图(Scanning ElectronMicroscope,扫描电子显微镜)。
图中,1、衬底;1-0、回收前PSS衬底;1-1、回收前平片衬底;1-2、回收后PSS衬底;1-3、回收后平片衬底;2、缓冲层;3、N-GaN层;4、多量子阱层;5、P-GaN层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。对于以蓝宝石(Al2O3)为生长衬底的LED外延片,外延层可以是GaN、AlGaN等常用的半导体材料。为了便于说明本发明实施例,下面结合图1简单介绍LED外延片的结构。
如图1所示,LED外延片通常包括衬底1(1-0为PSS衬底,1-1为平片衬底)和外延层,外延层包括但不限于依次层叠在衬底1上的缓冲层2、N-GaN层3、多量子阱层4和P-GaN层5。
实施例1、
如图2所示,一种回收蓝宝石衬底的方法,包括步骤如下:
(1)取废外延片,
领取废外延片,核对晶片数目,并检查晶片是否完整;
(2)第一次高温烘烤,
将废外延片放入高温烘烤炉内进行第一次高温烘烤,烘烤时间为2.5小时,烘烤温度为850℃,烘烤室内气氛为氮气和氢气的混合气,其中,氢气所占的体积比为0.5%;
(3)第一次清洗,
经过上述步骤(2)烘烤后的外延片,进行第一次清洗,所述第一次清洗的腐蚀液为硫酸和双氧水的混合液,硫酸的浓度为95%,硫酸和双氧水的体积比为3∶4,腐蚀时间为15分钟;
(4)第二次高温烘烤,
经过上述步骤(3)第一次清洗后的外延片再放入高温烘烤炉内进行第二次高温烘烤,烘烤时间为2小时,烘烤温度900℃,烘烤室内气氛为氮气和氨气,其中,氨气所占的体积比为5%;
(5)第二次清洗,
经过步骤(4)第二次高温烘烤后的外延片,再进行第二次清洗,先用硫酸和双氧水的混合液清洗,其中硫酸的浓度为98%,硫酸和双氧水的体积比1∶1,腐蚀时间10分钟;再用氨水和双氧水的混合液清洗,其中氨水的浓度为60%,氨水和双氧水的混合比在15∶13,腐蚀时间3分钟;
(6)检验外延片表面,包括目检和镜检,
对经上述处理的外延片进行形貌检验,如果不存在残留杂质,则分类入库使用;如果仍存在残留氮化镓等杂质,则从第一次高温烘烤或第二次高温烘烤开始循环重复,直至达到衬底的生长标准。
图4中的SEM图中为LED外延片采用该回收方法后的衬底SEM图。
实施例2、
一种如实施例1所述的一种回收蓝宝石衬底的方法,其区别在于,
步骤(2)所述烘烤时间为8小时,烘烤温度为1200℃,氢气所占体积为5%;
步骤(3)所述腐蚀液为磷酸和双氧水的混合液,磷酸的浓度为90%,磷酸和双氧水的体积比为2∶3,腐蚀时间为10分钟;
步骤(4)所述烘烤时间为8小时,烘烤温度1200℃,氨气所占的体积比为4%;
步骤(5)所述第二次清洗,先用磷酸和双氧水的混合液清洗,其中磷酸的浓度为87%,磷酸和双氧水的体积比1∶3,腐蚀时间15分钟;再用氨水和双氧水的混合液清洗,其中氨水的浓度为68%,氨水和双氧水的混合比在2∶3,腐蚀时间5分钟。
实施例3、
一种如实施例1所述的一种回收蓝宝石衬底的方法,其区别在于,
步骤(2)所述烘烤时间为15小时,烘烤温度为1600℃,氢气所占体积为15%;
步骤(3)所述腐蚀液为硝酸和双氧水的混合液,硝酸的浓度为82%,硝酸和双氧水的体积比为3∶2,腐蚀时间为20分钟;
步骤(4)所述烘烤时间为14小时,烘烤温度2000℃,氨气所占的体积比为15%;
步骤(5)所述第二次清洗,先用硝酸和双氧水的混合液清洗,其中硝酸的浓度为80%,磷酸和双氧水的体积比2∶1,腐蚀时间20分钟;再用氨水和双氧水的混合液清洗,其中氨水的浓度为89%,氨水和双氧水的混合比在1∶1,腐蚀时间10分钟。
实施例4、
一种如实施例1所述的一种回收蓝宝石衬底的方法,其区别在于,
步骤(2)所述烘烤时间为10小时,烘烤温度为1400℃,氢气所占体积为12%;
步骤(3)所述腐蚀液为盐酸和双氧水的混合液,盐酸的浓度为75%,盐酸和双氧水的体积比为2∶1,腐蚀时间为18分钟;
步骤(4)所述烘烤时间为14小时,烘烤温度1600℃,氨气所占的体积比为13%;
步骤(5)所述第二次清洗,先用盐酸和双氧水的混合液清洗,其中盐酸的浓度为75%,盐酸和双氧水的体积比2∶3,腐蚀时间22分钟;再用氨水和双氧水的混合液清洗,其中氨水的浓度为78%,氨水和双氧水的混合比在3∶4,腐蚀时间9分钟。

Claims (3)

1.一种回收蓝宝石衬底的方法,其特征在于,该方法包括步骤如下:取废外延片、第一次高温烘烤、第一次清洗、第二次高温烘烤、第二次清洗、循环N个周期;
(1)取废外延片,
领取废外延片,核对晶片数目,并检查晶片是否完整;
(2)第一次高温烘烤,
将废外延片放入高温烘烤炉内进行第一次高温烘烤,烘烤时间为2-15小时,烘烤温度为800-1800℃,烘烤室内气氛为氮气和氢气的混合气,其中,氢气所占的体积比为0%-20%;
(3)第一次清洗,
经过上述步骤(2)烘烤后的外延片,进行第一次清洗,所述第一次清洗的腐蚀液为浓酸和双氧水的混合液,浓酸的浓度为70%-98%,浓酸和双氧水的体积比在1∶10-5∶2之间,腐蚀时间为5-25分钟;
(4)第二次高温烘烤,
经过上述步骤(3)第一次清洗后的外延片再放入高温烘烤炉内进行第二次高温烘烤,烘烤时间为1-16小时,烘烤温度为800-2000℃,烘烤室内气氛为氮气和氨气,其中,氨气所占的体积比为0%-15%;
(5)第二次清洗,
经过步骤(4)第二次高温烘烤后的外延片,再进行第二次清洗,清洗的腐蚀液为浓酸和双氧水的混合液以及碱液和双氧水的混合液,先用腐蚀液为浓酸和双氧水的混合液清洗,其中浓酸的浓度为75%-98%,浓酸和双氧水的体积比在2∶15-5∶2之间,腐蚀时间为5-25分钟;再用碱液和双氧水的混合液清洗,其中碱液的浓度为57%-89%,碱液和双氧水的体积比在1∶3-2∶1之间,腐蚀时间不少于2分钟;
(6)检验外延片表面,包括目检和镜检,
对经上述处理的外延片进行形貌检验,如果不存在残留杂质,则分类入库使用;如果仍存在残留氮化镓杂质,则从第一次高温烘烤或第二次高温烘烤开始循环重复,直至达到衬底的生长标准。
2.根据权利要求1所述的一种回收蓝宝石衬底的方法,其特征在于,所述浓酸包括硫酸、磷酸、硝酸、盐酸。
3.根据权利要求1所述的一种回收蓝宝石衬底的方法,其特征在于,所述回收步骤循环周期数N≥0。
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