CN108470720A - 利用湿法腐蚀剥离衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，包括：在衬底上溅射AlN缓冲层，在AlN缓冲层上依次生长器件结构，按照预设图形刻蚀器件结构形成腐蚀窗口和锚结构，生长形成将锚结构完全覆盖钝化层，将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀，以将器件结构与衬底之间的AlN缓冲层腐蚀。本发明提供的AlN缓冲层同时也作为剥离衬底湿法腐蚀的牺牲层，AlN缓冲层的引入提高了在衬底上生长器件结构的质量，利用AlN缓冲层作牺牲层的湿法腐蚀剥离衬底可以避免由于激光剥离衬底热冲击导致的损伤，提高良率，并且成本低廉。有利于生长出高质量的器件薄膜。本发明提供的方法工艺简单，成本低，适合大规模工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法。
背景技术
III-V族氮化物(GaN、InGaN、AlGaN、AlN、InAlN)半导体材料由于其优异的特性广泛应用于短波长光电子器件和高温及高频器件，如发光二极管(LED)、微LED、激光二极管(LD)、紫外探测器，高电子迁移率晶体管(HEMT)。由于GaN同质衬底难以获得或价格昂贵，III-族氮化物的外延结构通常生长在Si、SiC及蓝宝石(主要成分为Al2O3)衬底之上，其中蓝宝石衬底是使用最广泛的生长衬底。在蓝宝石衬底上生长晶体材料及外延结构之后，由于蓝宝石衬底不导电及散热能力差，为了制作高性能的器件(如薄膜型垂直结构LED)或特殊要求的元器件(利用微LED组装RGB微LED显示阵列)通常需要将原衬底剥离并将器件结构从原衬底转移至新的基板上。目前主要是利用激光剥离衬底，激光剥离是将高能激光聚焦到衬底和外延层的界面处，通过激光逐点扫描瞬间融化外延缓冲层，从而使衬底和外延层剥离。然而，激光剥离存在诸多缺陷，例如会造成外延层损伤，而且也很难实现非常均匀的剥离。这最终导致激光剥离制作完成的器件存在漏电、良率低等缺陷。
用湿法腐蚀的方法剥离原衬底的技术方案可以避免由激光剥离衬底热冲击导致的损伤及改善良率，而且成本低廉。湿法腐蚀剥离衬底需要设计选择性的腐蚀牺牲层，有文献报道采用高掺杂n-GaN、CrN、ZnO、SiO2等易腐蚀材料作为牺牲层。但是在外延片生长过程中引入上述的牺牲层材料，将降低外延生长III-V族氮化物薄膜质量或难以在上述牺牲层上外延生长出高质量的薄膜，最终难以制作出高性能的器件。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，以实现简化剥离衬底的工艺流程，提高外延结构生长质量的效果，达到制备高性能器件的目的。
本发明采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，所述方法包括：在衬底上溅射AlN缓冲层，在所述AlN缓冲层上依次生长器件结构，所述器件结构包括N型半导体层、有源区及P型半导体层，按照预设图形刻蚀所述器件结构、AlN缓冲层以及生长衬底，形成腐蚀窗口和用于临时固定器件结构的锚结构，通过生长或旋涂形成钝化层，所述钝化层将所述锚结构完全覆盖，以保护用于临时固定器件结构的锚结构，将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液，腐蚀溶液通过腐蚀窗口进行腐蚀，以将所述器件结构与所述衬底之间的AlN缓冲层腐蚀。
进一步地，所述方法包括：利用弹性膜或涂覆粘附剂的薄膜作为临时基板将剥离的器件结构从生长衬底粘起，将临时基板上的器件结构转印至目标基板，完成器件从生长衬底剥离，转移至目标基板上。
进一步地，在将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀的步骤中，进行腐蚀的温度为0℃～100℃，进行腐蚀的时长为1～30分钟。
进一步地，所述AlN缓冲层的厚度为100～500埃。
进一步地，在所述将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀之前，所述方法还包括：将形成钝化层后的外延结构粘附或键合至目标基板。
进一步地，所述腐蚀溶液为10摩尔/升的KOH，腐蚀时长为3分钟。
进一步地，所述腐蚀溶液的温度为100℃。
进一步地，所述衬底为半导体器件衬底，所述半导体器件衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底以及SiC衬底中的任一种。
进一步地，所述刻蚀所述器件结构露出AlN缓冲层的方法包括光刻和ICP刻蚀/RE刻蚀。
进一步地，所述腐蚀溶液包括KOH、NaOH或碱性光刻胶显影液TMAH。
相对现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，包括：在衬底上溅射AlN缓冲层，在AlN缓冲层上依次生长器件结构，按照预设形状刻蚀器件结构形成腐蚀窗口和锚结构，生长形成将锚结构完全覆盖的钝化层，保护用于临时固定器件结构的锚结构，将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀，以将器件结构与衬底之间的AlN缓冲层腐蚀。AlN缓冲层同时可以作为牺牲层，提高了在衬底上生长器件结构的质量，利用湿法腐蚀可以避免由于激光剥离衬底热冲击导致的损伤，从而善良率，并且成本低廉。避免了引入其他易腐蚀材料容易降低外延生长III-V族氮化物薄膜质量等问题，从而生长出高质量的器件薄膜。本发明提供的方法制备工艺简单，成本低，适合大规模工业生产。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明第一实施例所提供的一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法的流程图。
图2示出了溅射AlN缓冲层后的外延结构示意图
图3示出了生长器件结构后的示意图。
图4示出了刻蚀后的外延结构第一视角视图。
图5示出了刻蚀后的外延结构第二视角视图。
图6示出了形成钝化层后的外延结构示意图。
图7示出了腐蚀AlN缓冲层后的示意图。
图8示出了贴合临时基板后的示意图。
图9示出了与生长衬底分离后的示意图。
图10示出了贴合目标基板后的示意图。
图11示出了器件结构转移到目标基板后的示意图。
图12示出了第二实施例提供的一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法的流程图。
图13示出了贴合目标基板后的示意图。
图14示出了剥离生长衬底后的示意图。
图标：100-器件结构；110-衬底；120-AlN缓冲层；130-N 型半导体层；140-有源区；150-P型半导体层；161-锚结构；162- 钝化层；170-临时基板；180-目标基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
在本发明的描述中，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
第一实施例
本实施例提供了一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，请参阅图1，图1示出了本实施例提供的湿法腐蚀剥离生长衬底的方法的流程图。
湿法腐蚀剥离生长衬底的方法包括步骤S10～步骤S90。
步骤S10：提供生长衬底110。
其中，衬底110为半导体器件衬底110，衬底110可以为半导体器件提供支撑，于本实施例中，半导体器件衬底110选自蓝宝石衬底110、Si衬底110，SiC衬底110中的一种或多种。于本实施例中，优选地，所述衬底110为蓝宝石衬底110，包括图形化的蓝宝石衬底。
步骤S20：在衬底110上溅射AlN缓冲层120。
于本实施例中，在生长衬底110上制备形成一层缓冲层，所述缓冲层的材料采用AlN，AlN缓冲层120可以使生长的器件结构100薄膜质量更高，于本实施例中，AlN缓冲层120同时可以作为湿法腐蚀的牺牲层。请参阅图2，图2是溅射AlN 缓冲层120后的外延结构示意图。
优选的，可以采用直流磁控反应溅射设备在生长衬底110 上溅射形成AlN缓冲层120，例如，在图形化蓝宝石衬底110 上溅射AlN缓冲层120。
于本实施例中，所述AlN缓冲层120的厚度为100～500 埃，优选地，所述AlN缓冲层120的厚度可以是200～400埃。
步骤S30：在所述AlN缓冲层120上依次生长器件结构100。
在所述衬底110外延结构上继续生长器件结构100，于本实施例中，在所述衬底110上依次生长形成N型半导体层130、有源区140和P型半导体层150，请参阅图3。
形成器件结构100的方式可以是生长或者沉积等，例如，在生长衬底110上依次沉积III-V族氮化物的N型半导体层 130，有源区140，P型半导体层150的外延结构，本实施例对此不作限定。
步骤S40：按照预设图形刻蚀所述器件结构100、AlN缓冲层120以及生长衬底110，形成腐蚀窗口和用于临时固定器件结构100的锚结构161。
对完成生长的器件结构100进行刻蚀，形成腐蚀窗口，使 AlN缓冲层120显露。可选地，可以采用光刻和ICP刻蚀/RE 刻蚀的方式，例如，采用ICP刻蚀，依次刻蚀P型半导体层150、有源区140、N型半导体层130、AlN缓冲层120以及部分生长衬底110，形成腐蚀窗口。于本实施例中，刻蚀的深度需深入生长衬底110，以使所述腐蚀窗口将AlN缓冲层120完全显露。
请参阅图4，图4示出了刻蚀后的外延结构第一视角视图。于本实施例中，按照预设的形状刻蚀所述器件结构100，以形成腐蚀窗口和锚结构161，所述锚结构161设置于器件结构100 的两侧，但不限于此，所述锚结构161用于在进行腐蚀过程中对器件结构100进行临时固定。锚结构161的材料可以是外延材料，于本发明的其他优选实施例中，锚结构161还可以由 SiO2、光刻胶等其他材料制成。请参阅图5，图5示出了刻蚀后的外延结构第二视角视图。
步骤S50：通过生长或旋涂形成钝化层162。
于本实施例中，利用湿法腐蚀剥离生长衬底110，AlN缓冲层120将会被腐蚀，为了保护锚结构161不被腐蚀，需要对锚结构161进行保护，防止锚结构161下方的AlN缓冲层120被腐蚀。请参阅图6，图6示出了形成钝化层162后的外延结构示意图。
优选地，可以通过生长或旋转的方式形成一钝化层162，例如，利用PECVD生长或旋转一层钝化层162，钝化层162 可以采用与腐蚀溶液不发生反应的材料制成。所述钝化层162 将所述锚结构161(包括其底面和侧面)完全覆盖，防止锚结构161与衬底110之间的AlN缓冲层120被腐蚀溶液腐蚀。从而当器件结构100与衬底110之间的AlN缓冲层120与腐蚀溶液发生反应被腐蚀掉时，锚结构161能够保持完好，从而支撑器件结构100悬空，使器件结构100与生长衬底110分离。
步骤S60：将形成钝化层162后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀，以将所述器件结构100与所述衬底110之间的AlN 缓冲层120腐蚀。
将刻蚀好的外延结构置入腐蚀溶液中，在预设的温度下进行腐蚀，腐蚀预设时长，以将器件结构100与生长衬底110之间的AlN缓冲层120腐蚀掉，使器件结构100与生长衬底110 脱离，形成由锚结构161支撑的悬空的结构。请参阅图7，图7 示出了AlN缓冲层120腐蚀之后的示意图。
例如，于本实施例中，将刻蚀好的形成钝化层162的外延结构放入0℃～100℃的KOH腐蚀溶液之中，需要说明的是，腐蚀溶液还可以是其他的溶液，例如NaOH溶液、碱性光刻胶显影液TMAH。于本实施例中，KOH腐蚀溶液的摩尔浓度为1～10 摩尔/升，需要说明的是，腐蚀溶液的浓度和温度只是会对腐蚀的速率造成影响，并不会影响最终效果。将外延结构置入腐蚀溶液中，KOH溶液从所述腐蚀窗口进入所述的器件外延结构下方AlN缓冲层120，与AlN缓冲层120发生反应，将AlN缓冲层120腐蚀掉，以在生长衬底110和器件结构100之间形成悬空结构，可选地，腐蚀时间为1～30分钟，即可实现器件结构 100与生长衬底110彻底的湿法剥离。
步骤S70：利用弹性膜或粘附剂将剥离的器件结构100转移至临时基板170上。
利用弹性膜或涂覆粘附剂的薄膜作为临时基板170与上述外延结构进行贴合，使器件结构100与锚结构161分离，将器件结构100转移至临时基板170上。请参阅图8和图9。
于本实施例中，所述粘附剂可以是PDMS、PMMA、SU8、 polyimide、水溶性polymer或者其他的粘性物质。所述器件结构100与生长衬底110之间的AlN缓冲层120被腐蚀掉，器件结构100相对生长衬底110悬空，由于器件结构100外延层的厚度是微米量级，粘性物质利用粘附力很容易将通过锚结构 161临时固定于生长衬底110上的器件结构100转移至临时基板170上，实现器件于生长衬底110的剥离。
步骤S80：将临时基板170上的器件结构100转印至目标基板180。
请参阅图10和图11，将临时基板170上的器件结构100 转印至目标基板180，转印的方式有多种，例如，可以通过在目标基板180上设置粘性物质，需要说明的是，目标基板180 上的粘性物质的粘着性能强度需强于临时基板170上的粘性物质的粘着性能强度，以使器件结构100可以由临时基板170转印至目标基板180上，完成生长衬底的剥离。
第二实施例
本实施例提供了一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，需要说明的是，本实施例提供的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法与第一实施例所提供的方法的基本原理大致相同，本实施例不再做详细说明，本实施例未介绍详尽之处，请参阅第一实施例中的相关内容。
本实施例提供的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，请参阅图 12，所述方法包括步骤S10～S70，其中，步骤S10～步骤S50与第一实施例中的大致相同，本实施例不再做详细说明。
步骤S60：将形成钝化层162后的外延结构键合或粘附至目标基板180。
优选地，可以在目标基板180上设置粘性物质，或者通过键合工艺将器件结构100粘附至目标基板180上，请参阅图13，黏性位置的设置区域与器件结构100的位置对应，以确保锚结构161不会与目标基板180粘附或键合。于本实施例中，目标基板180根据器件的功能可以是导电和导热性能良好的Cu基衬底110，也可以是其他半导体衬底110，比如Si，或者还可以是导热良好的陶瓷衬底110、透明的玻璃基板等。
所述粘性物质可以是PDMS、PMMA、SU8、polyimide、水溶性polymer或者其他的粘性物质。所述键合工艺可以是半导体行业中的任何一种常规的键合工艺，根据器件功能需要，若器件需要导电，则可以优选Au-Au键合或Au-Sn等金属进行键合，若不需要导电还可以选择有机粘合剂进行键合。
步骤S70：将形成钝化层162后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀，以将所述器件结构100与所述衬底110之间的AlN 缓冲层120腐蚀。
将粘附或者键合在目标基板180上的外延结构置入腐蚀溶液中进行腐蚀，以将器件结构100与生长衬底110之间的AlN 缓冲层120腐蚀，使器件结构100与生长衬底110分离。
例如，于本实施例中，将粘附在目标基板180上的外延结构放入100℃的高温KOH腐蚀溶液之中，KOH的摩尔浓度为 10摩尔/升，KOH腐蚀溶液就会进入器件结构100与生长衬底110之间的AlN缓冲层120，与AlN缓冲层120将其腐蚀，以在生长衬底110和器件结构100之间形成悬空结构，腐蚀时间为3分钟，成功实现生长衬底110彻底的化学剥离。
需要说明的是，腐蚀溶液还可以是其他的腐蚀溶液，腐蚀溶液的浓度和温度只是会对腐蚀的速率造成影响，并不会影响最终效果。
步骤S80：将器件结构100与生长衬底110剥离。
请参阅图14，通过目标基板180，将粘附在目标基板180 上的器件结构100剥离生长衬底110，使其与锚结构161分离。
综上所述，本发明提供了一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，包括衬底上溅射AlN缓冲层，在所述AlN缓冲层上依次生长器件结构，所述器件结构包括N型半导体层、有源区及P型半导体层，按照预设形状刻蚀所述器件结构、AlN缓冲层以及生长衬底，形成腐蚀窗口和用于临时固定器件结构的锚结构，通过生长或旋涂形成钝化层，所述钝化层将所述锚结构完全覆盖，将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀，以将所述器件结构与所述衬底之间的AlN缓冲层腐蚀通过设置AlN 缓冲层。通过设置AlN缓冲层，AlN缓冲层同时可以作为牺牲层，提高了在衬底上生长器件结构的质量，利用湿法腐蚀可以避免由于激光剥离衬底热冲击导致的损伤，从而改善良率，并且成本低廉。采用AlN缓冲层同时作为腐蚀的牺牲层，避免了引入常用的高掺杂n-GaN、CrN、ZnO、SiO2等易腐蚀材料容易降低外延生长III-V族氮化物薄膜质量等问题，从而生长出高质量的器件薄膜。本发明提供的方法制备工艺简单，成本低，适合大规模工业生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上溅射AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上依次生长器件结构，所述器件结构包括N型半导体层、有源区及P型半导体层；
按照预设图形刻蚀所述器件结构、AlN缓冲层以及生长衬底，形成腐蚀窗口和用于临时固定器件结构的锚结构；
通过生长或旋涂形成钝化层，所述钝化层将所述锚结构完全覆盖，以保护所述用于临时固定器件结构的锚结构；
将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀，以将所述器件结构与所述衬底之间的AlN缓冲层腐蚀。
2.如权利要求1所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用弹性膜或涂覆粘附剂的薄膜作为临时基板将剥离的器件结构从生长衬底粘起；
将临时基板上的器件结构转印至目标基板，完成器件从生长衬底剥离，转移至目标基板上。
3.如权利要求1所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，在将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀的步骤中，进行腐蚀的温度为0℃～100℃，进行腐蚀的时长为1～30分钟。
4.如权利要求1所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为100～500埃。
5.如权利要求1所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，在所述将形成钝化层后的外延结构放入腐蚀溶液进行腐蚀之前，所述方法还包括：
将形成钝化层后的外延结构粘附或键合至目标基板。
6.如权利要求5所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述腐蚀溶液为10摩尔/升的KOH，腐蚀时长为3分钟。
7.如权利要求6所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述腐蚀溶液的温度为100℃。
8.如权利要求1所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述衬底为半导体器件衬底，所述半导体器件衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底以及SiC衬底中的任一种。
9.如权利要求1所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述刻蚀所述器件结构露出AlN缓冲层的方法包括光刻和ICP刻蚀/RE刻蚀。
10.如权利要求2所述的利用湿法腐蚀剥离衬底的方法，其特征在于，所述腐蚀溶液包括KOH、NaOH或碱性光刻胶显影液TMAH。
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