CN110102877A - 液态金属辅助导热的激光剥离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液态金属辅助导热的激光剥离装置及方法，装置包括：加热器，用于提供待剥离衬底进行剥离时所需要的温度；晶圆载盘，位于加热器上，晶圆载盘用于承载液态金属，加热器通过晶圆载盘将热量传递给液态金属，液态金属再将热量传递给待剥离衬底，以加热待剥离衬底；密封腔，用于密封晶圆载盘，密封腔顶部具有激光窗口，用于提供激光进入腔体单元内的待剥离衬底表面的通道。本发明通过液态金属可与不同翘曲形状和不同翘曲程度的待剥离衬底紧密接触，实现对待剥离衬底进行均匀导热，从而大幅度拓宽激光剥离工艺窗口。本发明可极大的优化激光剥离技术，促使激光剥离技术被更广泛的应用。

Description

液态金属辅助导热的激光剥离装置及方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，特别是涉及一种液态金属辅助导热的激光剥离装置及激光剥离方法。

背景技术

二十世纪末，为了实现具有高频、高效率及大功率等优异性能电子电力器件的制备，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料加快了发展进程。目前，大尺寸氮化镓自支撑衬底的制备技术成为其前进道路上最大的障碍之一。其制备工艺，通常是在蓝宝石衬底上异质外延氮化镓膜，然后采用激光剥离技术(Laser Lift-off Technique)使得氮化镓膜与蓝宝石分离，从而得到自支撑氮化镓衬底。在氮化镓的外延生长过程中，残余应力主要是晶格失配应力和热失配应力，晶格失配应力主要源于蓝宝石衬底和氮化镓晶体晶格大小不匹配；热失配应力主要是由于两者热胀系数不同，氮化镓外延片是在1000℃以上的高温状态下生长的，生长完毕降温后，两者的晶格收缩比例有很大不同，因此造成了彼此之间的晶格互相牵制，导致氮化镓/蓝宝石复合衬底的翘曲较大。在进行激光剥离之前，通常需要对晶圆进行加热，在温度达到一定范围时，晶圆翘曲度减小，此时进行激光剥离，晶圆处于较平坦的低应力状态，可大幅度拓宽激光剥离工艺窗口。

然而，即使温度达到预设温度，由于氮化镓/蓝宝石复合衬底仍然具有一定翘曲，复合衬底与晶圆载盘之间线接触，剥离时复合衬底的温度并没有均匀分布。同时，外延生长批次间工艺过程的细微差异会导致批次间翘曲度的不一致。更严重的是，该翘曲常为非规则翘曲，如马鞍形，这使得常规的常凹或常凸或平底晶圆载盘难以满足所有复合衬底进行激光剥离的要求，进而激光剥离工艺窗口窄且不稳定，剥离良率低下。当复合衬底尺寸达到4英寸或以上时，均温几乎难以达到。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液态金属辅助导热的激光剥离装置及方法，用于解决现有技术中激光剥离时的复合衬底，尤其是4英寸或以上的复合衬底，的温度难以达到均匀分布的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种液态金属辅助导热的激光剥离装置，所述激光剥离装置包括：加热器，用于提供待剥离衬底进行剥离时所需要的温度；晶圆载盘，位于所述加热器上，所述晶圆载盘用于承载液态金属，所述加热器通过所述晶圆载盘将热量传递给所述液态金属，所述液态金属再将热量传递给待剥离衬底，以加热所述待剥离衬底；密封腔，用于密封所述晶圆载盘，所述密封腔顶部具有激光窗口，用于提供激光进入所述腔体单元内的待剥离衬底表面的通道。

可选地，所述液态金属的沸点大于850℃，且所述液态金属不与所述晶圆载盘及所述待剥离衬底发生化学反应。

可选地，所述液态金属的材料包括镓、锡、钠、铋及锂中的一种。

可选地，所述晶圆载盘的材质包括石墨，所述晶圆载盘的表面具有碳化硅保护层。

可选地，所述加热器的顶部与所述晶圆载盘对应的位置具有加热窗口，所述加热窗口的材质包括玻璃或石英，所述加热器的加热炉壁中通有冷却水，用于降低所述加热器的温度，所述加热器底部有散热风扇，对加热单元进行降温。

可选地，所述密封腔的腔壁为中空结构，所述中空结构连接有冷却水，所述密封腔还连接有气体保护及排放管路，用于提供所述待剥离衬底的剥离工艺气氛，所述密封腔的顶部具有开口，所述开口覆盖有所述激光窗口，所述激光窗口的材质包括蓝宝石或石英。

可选地，所述待剥离衬底的直径不小于4英寸。

可选地，所述待剥离衬底包括蓝宝石与氮化镓的复合衬底。

本发明还提供一种液态金属辅助导热的激光剥离方法，所述激光剥离方法包括步骤：1)提供如上任一方案所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置；2)在所述晶圆载盘中形成液态金属；3)将待剥离衬底置于所述液态金属上；4)升温至剥离温度，对所述待剥离衬底进行激光剥离；5)降温并取出剥离后的衬底。

可选地，步骤2)在所述晶圆载盘中形成液态金属的温度范围介于常温～850℃之间，步骤4)所述剥离温度范围介于750℃～850℃之间，步骤5)取出剥离后的衬底的温度不低于所述液态金属的熔点。

可选地，步骤1)～步骤5)中，所述密封腔的腔壁及所述以及加热器的加热炉壁均通有冷却水；加热器底部还有散热风扇，对加热单元进行降温。

可选地，步骤3)中，在所述晶圆载盘放置有支架，将所述待剥离衬底置于所述支架上，以调整所述待剥离衬底的位置，所述支架的熔点高于所述剥离温度。

可选地，步骤3)及步骤5)中，采用石英材质的吸盘来吸取转移待剥离衬底及剥离后的衬底，所述吸盘为多个，以防止所述待剥离衬底及剥离后的衬底碎裂。

如上所述，本发明的液态金属辅助导热的激光剥离装置及方法，具有以下有益效果：

本发明提供一种液态金属辅助导热的激光剥离装置及方法，通过液态金属可与不同翘曲形状和不同翘曲程度的待剥离衬底紧密接触，实现对待剥离衬底进行均匀加热，从而大幅度拓宽激光剥离工艺窗口。

本发明可极大的优化激光剥离技术，促使激光剥离技术被更广泛的应用，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的液态金属辅助导热的激光剥离装置的结构示意图。

图2显示为本发明的液态金属辅助导热的激光剥离方法的步骤流程示意图。

元件标号说明

10 加热器

101 加热炉壁

102 加热单元

103 晶圆载盘

104 液态金属

105 密封腔

106 激光窗口

20 待剥离衬底

107 蓝宝石

108 氮化镓

109 加热窗口

110 散热风扇

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种液态金属104辅助导热的激光剥离装置，所述激光剥离装置包括：加热器10、晶圆载盘103及密封腔105，所述晶圆载盘103用于承载液态金属104。

所述加热器10用于提供待剥离衬底20进行剥离时所需要的温度。所述加热器10包括加热炉壁101、加热单元102，加热窗口109及散热风扇110，所述加热器10的顶部与所述晶圆载盘103对应的位置为加热窗口109，所述加热窗口109的材质包括玻璃或石英，所述加热器10的加热炉壁101为中空结构，其内部通有冷却水，用于降低所述加热器10的温度。所述加热单元102位于所述加热炉壁101的内部，其可以为电阻丝加热器10、射频加热器10及红外灯管加热器10中的一种，下部有散热风扇110对其进行降温，在本实施例中，所述加热单元102选用为红外灯管加热器10。所述加热单元102的热量通过所述加热窗口109传递至所述晶圆载盘103上。

所述待剥离衬底20的直径不小于4英寸。例如，在本实施例中，所述待剥离衬底20的直径可以为8英寸等，所述待剥离衬底20可以为蓝宝石107与氮化镓108的复合衬底。当然，所述待剥离衬底20的尺寸和种类可以依据实际工艺需求进行调整，并不限于此处所列举的示例。

所述晶圆载盘103位于所述加热器10上，所述晶圆载盘103用于承载液态金属104，所述加热器10通过所述晶圆载盘103将热量传递给所述液态金属104，所述液态金属104再将热量传递给所述待剥离衬底20，以加热所述待剥离衬底20。所述晶圆载盘103的材质包括石墨，所述晶圆载盘103的表面具有碳化硅保护层。所述液态金属104的沸点大于850℃，且所述液态金属104不与所述晶圆载盘103及所述待剥离衬底20发生化学反应，所述液态金属104凝固后易于清洗。例如，所述液态金属104的材料包括镓、锡、钠、铋及锂中的一种。需要说明的是，不同的待剥离衬底20材料，对液态金属104具有不同的要求，可根据具体情况做适当的调整。

所述密封腔105，用于密封所述晶圆载盘103，所述密封腔105顶部具有激光窗口106，用于提供激光进入所述腔体单元内的待剥离衬底20表面的通道。所述密封腔105的腔壁为中空结构，所述中空结构连接有冷却水，所述密封腔105还连接有气体保护及排放管路，用于提供所述待剥离衬底20的剥离工艺气氛，所述密封腔105的顶部具有开口，所述开口覆盖有所述激光窗口106，所述激光窗口106的材质包括蓝宝石107或石英。

下表为一些可选用的液态金属104、蓝宝石107、氮化镓108与石墨的物理特性，但并不限于下表所举示例。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种液态金属104辅助导热的激光剥离方法，所述激光剥离方法包括步骤：

如图2所示，首先进行步骤1)S11，提供液态金属104辅助导热的激光剥离装置，所述液态金属104辅助导热的激光剥离装置的结构如实施例1。

如图2所示，然后进行步骤2)S12，在所述晶圆载盘103中形成液态金属104。

例如，在所述晶圆载盘103中形成液态金属104的温度范围可以介于常温～850℃之间，所述液态金属的沸点大于850℃。

如图2所示，接着进行步骤3)S13，将待剥离衬底20置于所述液态金属104上。

在本实施例中，可以采用石英材质的吸盘来吸取转移待剥离衬底20，所述吸盘为多个，以防止所述待剥离衬底20碎裂。

步骤3)中，在所述晶圆载盘103放置支架，将所述待剥离衬底20置于所述支架上，以调整所述待剥离衬底20的位置，所述支架的熔点高于所述剥离温度。

如图2所示，接着进行步骤4)S14，升温至剥离温度，对所述待剥离衬底20进行激光剥离。

例如，所述剥离温度范围可以介于750℃～850℃之间。

如图2所示，最后进行步骤5)S15，降温并取出剥离后的衬底。

在本实施例中，取出剥离后的衬底的温度不低于所述液态金属104的熔点。

在本实施例中，可以采用石英材质的吸盘来吸取转移剥离后的衬底，所述吸盘为多个，以防止所述离后的衬底碎裂。

在上述步骤1)～步骤5)中，所述密封腔105的腔壁及所述加热器10的加热炉壁101可均通有冷却水，加热器底部，即加热单元102下部，有散热风扇110对加热单元102进行降温。

在一个具体的实施过程中，所述液态金属104辅助导热的激光剥离方法，使用的液态金属104为镓，其常温下为液态，所述待剥离衬底20为蓝宝石107与氮化镓108的复合衬底，包括以下步骤：

1)将适量液态金属104镓倒入晶圆载盘103上；

2)将复合衬底放于液态金属104之上，蓝宝石107面朝上，氮化镓108面朝下，使液态金属104刚好浸没复合衬底的边缘；

3)密封腔105内通以保护性气体，如氮气，加热器10开始加热；

4)待温度升至800℃左右，开始对复合衬底进行激光剥离；

5)剥离完成后进行降温，待温度冷却至50℃左右，分别取出剥离后的蓝宝石107和氮化镓108。

在上述过程中，密封腔105以及加热炉壁101均通以冷却水，同时，加热单元102底部的散热风扇可一直运行或在适当的时机运行，以降低所述加热器的温度。

在另一具体的实施过程中，所述液态金属104辅助导热的激光剥离方法，使用金属钠，所述待剥离衬底20为蓝宝石107与氮化镓108的复合衬底，包括步骤：

1)将金属钠粉体或块体放入晶圆载盘103上；

2)密封腔105内通以保护性气体，如氮气，加热器10开始加热；

3)待温度升至110℃左右，金属钠已完全溶解，此时将复合衬底放于液态金属104之上，蓝宝石107面朝上，氮化镓108面朝下，使液态金属104刚好浸没复合衬底的边缘；本步骤可以将复合衬底放置于支架上，以调整复合衬底位置。该支架的材质可为熔点高的金属，如钼等。

4)待温度升至800℃左右，开始对复合衬底进行激光剥离；

5)剥离完成后进行降温，待温度冷却至110℃左右，分别取出剥离后的蓝宝石107和氮化镓108。

在上述过程中，密封腔105以及加热炉壁101均通以冷却水，同时，加热单元102底部的散热风扇可一直运行或在适当的时机运行，以降低所述加热器的温度。

在上述步骤3)中，可以通过转移腔及机械臂将复合衬底转移至密封腔105并放于液态金属104之上，以防止高温融化的钠与空气中的氧气发生化学反应。

在上述步骤3)和5)中，可使用石英材质的吸盘来吸取蓝宝石107衬底及氮化镓108，该吸盘可为多个，以防止氮化镓108碎裂。

在又一具体实施过程中，所述液态金属104辅助导热的激光剥离方法，使用金属锡，所述待剥离衬底20为蓝宝石107与氮化镓108的复合衬底，包括步骤：

1)将金属锡粉体或块体放入晶圆载盘103上；

2)密封腔105内通以保护性气体，如氮气，加热器10开始加热；

3)待温度升至250℃左右，金属锡已完全溶解，此时将复合衬底放于液态金属104之上，蓝宝石107面朝上，氮化镓108面朝下，使液态金属104刚好浸没复合衬底的边缘；本步骤可以将复合衬底放置与支架上，以调整复合衬底位置。该支架材质可为熔点高的金属，如钼。

4)待温度升至800℃左右，开始对复合衬底进行激光剥离；

5)剥离完成后进行降温，待温度冷却至250℃左右，分别取出剥离后的蓝宝石107和氮化镓108。

在上述过程中，密封腔105以及加热炉壁101均通以冷却水，同时，加热单元102底部的散热风扇可一直运行或在适当的时机运行，以降低所述加热器的温度。

在上述步骤3)中，可以通过转移腔及机械臂将复合衬底转移至密封腔105并放于液态金属104之上，以防止高温融化的锡与空气中的氧气发生化学反应。

在上述步骤3)和5)中，可使用石英材质的吸盘来吸取蓝宝石107衬底及氮化镓108，该吸盘可为多个，以防止氮化镓108碎裂。

如上所述，本发明的液态金属104辅助导热的激光剥离装置及方法，具有以下有益效果：

本发明提供一种液态金属104辅助导热的激光剥离装置及方法，通过液态金属104可与不同翘曲形状和不同翘曲程度的待剥离衬底20紧密接触，实现对待剥离衬底20进行均匀加热，从而大幅度拓宽激光剥离工艺窗口。

本发明可极大的优化激光剥离技术，促使激光剥离技术被更广泛的应用，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种液态金属辅助导热的激光剥离装置，其特征在于，所述激光剥离装置包括：

加热器，用于提供待剥离衬底进行剥离时所需要的温度；

晶圆载盘，位于所述加热器上，所述晶圆载盘用于承载液态金属，所述加热器通过所述晶圆载盘将热量传递给所述液态金属，液态金属再将热量传递给待剥离衬底，以加热所述待剥离衬底；

密封腔，用于密封所述晶圆载盘，所述密封腔顶部具有激光窗口，用于提供激光进入所述腔体单元内的待剥离衬底表面的通道。

2.根据权利要求1所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置，其特征在于：所述液态金属的沸点大于850℃，且所述液态金属不与所述晶圆载盘及所述待剥离衬底发生化学反应。

3.根据权利要求1所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置，其特征在于：所述液态金属的材料包括镓、锡、钠、铋及锂中的一种。

4.根据权利要求1所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置，其特征在于：所述晶圆载盘的材质包括石墨，所述晶圆载盘的表面具有碳化硅保护层。

5.根据权利要求1所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置，其特征在于：所述加热器的顶部与所述晶圆载盘对应的位置具有加热窗口，所述加热窗口的材质包括玻璃或石英，所述加热器的加热炉壁中通有冷却水，用于降低所述加热器的温度，所述加热器底部有散热风扇。

6.根据权利要求1所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置，其特征在于：所述密封腔的腔壁为中空结构，所述中空结构连接有冷却水，所述密封腔还连接有气体保护及排放管路，用于提供所述待剥离衬底的剥离工艺气氛，所述密封腔的顶部具有开口，所述开口覆盖有所述激光窗口，所述激光窗口的材质包括蓝宝石或石英。

7.一种液态金属辅助导热的激光剥离方法，其特征在于，所述激光剥离方法包括步骤：

1)提供如权利要求1～6任意一项所述的液态金属辅助导热的激光剥离装置；

2)在所述晶圆载盘中形成液态金属；

3)将待剥离衬底置于所述液态金属上；

4)升温至剥离温度，对所述待剥离衬底进行激光剥离；

5)降温并取出剥离后的衬底。

8.根据权利要求7所述的液态金属辅助导热的激光剥离方法，其特征在于：步骤2)在所述晶圆载盘中形成液态金属的温度范围介于常温～850℃之间，所述液态金属的沸点大于850℃，步骤4)所述剥离温度范围介于750℃～850℃之间，步骤5)取出所述剥离后的衬底的温度不低于所述液态金属的熔点。

9.根据权利要求7所述的液态金属辅助导热的激光剥离方法，其特征在于：步骤1)～步骤5)中，所述密封腔的腔壁及所述加热器的加热炉壁均通有冷却水，所述加热器的底部还有散热风扇，对加热单元进行降温。

10.根据权利要求7所述的液态金属辅助导热的激光剥离方法，其特征在于：步骤3)中，在所述晶圆载盘放置有支架，将所述待剥离衬底置于所述支架上，以调整所述待剥离衬底的位置，所述支架的熔点高于所述剥离温度。

11.根据权利要求7所述的液态金属辅助导热的激光剥离方法，其特征在于：步骤3)及步骤5)中，采用石英材质的吸盘来吸取转移待剥离衬底及剥离后的衬底，所述吸盘为多个，以防止所述待剥离衬底及剥离后的衬底碎裂。