CN113628960B - 一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置及剥离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置及剥离方法，包括固定加热炉和括激光器、光束整形器、振镜系统和成像设备，固定加热炉用于固定、加热待剥离样品，激光器发出的激光依次经过光束整形器、振镜系统照射到待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察。本发明的装置固定加热炉用于控制剥离的温度，缓解由激光照射与非照射区域温差引起的应力，提高完整剥离整片GaN单晶衬底的良率，可通过调整激光能量、光斑直径、剥离温度、扫描速度与扫描路径等参数调整剥离工艺，通过显微成像系统实现剥离过程的实时观察，可随时反馈剥离情况，调整剥离工艺，实现完整GaN单晶衬底的剥离。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置及剥离方法，属于半导体材料制备技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)是第三代半导体的核心材料之一，其禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿电压和工作温度远大于Si和GaAs，基于其优异的物理化学物性，有望被广泛应用在大功率电力电子器件和高频射频器件领域用。但目前由于缺乏高质量、低成本的GaN同质衬底，所以现阶段多数GaN基器件都是基于异质衬底外延制备的。由于GaN材料和异质衬底材料之间存在晶格失配和热失配，所以不可避免会在外延层中产生应力和大量的位错，严重影响了GaN基器件的性能和使用寿命。因此制备高质量、低成本的GaN同质衬底是推动GaN基器件发展不可或缺的一个组成部分。
GaN具有特殊的热稳定性，其熔点高达2000℃以上，在熔点处的分解压高达4.5GPa。在常压下，还未加热到熔点就已经发生分解。因此，使用传统的熔体法生长GaN单晶不仅需要设备耐高压，还需要其能耐腐蚀，生长条件要求极为苛刻。目前商业化应用的GaN单晶衬底多是采用氢化物气相外延法(HVPE)生长的。相较于液相法生长，HVPE法有可在常压或微负压生长，生长速度较快，设备简单和可实现商业化应用等诸多优势。
但由于目前用于HVPE法生长GaN单晶衬底的模板多是使用蓝宝石。因此，生长后去除GaN单晶背后的蓝宝石模板，得到完整的自支撑GaN单晶衬底是非常大的挑战。使用可透过蓝宝石的紫外激光剥离得到自支撑GaN单晶是一种有效的方式。但目前没有成熟的激光剥离设备，且通常都在常温下剥离样品，激光照射区域与非照射区域存在温差，产生热应力，极易在剥离过程中发生开裂，因此剥离良率很低，这也是GaN单晶衬底成本居高不下的原因之一。如何提高自支撑GaN单晶衬底剥离良率是目前急需解决的问题。
发明内容
针对现有激光剥离存在的问题，为提高自支撑GaN单晶衬底的剥离良率，本发明提供一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置及剥离方法，该装置结构简单，可调整激光能量密度、剥离温度、光路扫描路径、光斑直径与扫描步距等参数调整剥离工艺，能达到完整剥离GaN单晶衬底目的，从而大大提高剥离良率。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置，包括固定加热炉和激光加工成像设备，所述固定加热炉用于固定、加热待剥离样品，激光加工成像设备位于固定加热炉上方，所述激光加工成像设备为封闭结构；
所述激光加工成像设备包括激光器、光束整形器、振镜系统和成像设备；激光器发出的激光依次经过所述光束整形器、所述振镜系统照射到所述待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察。
根据本发明优选的，激光器为全固态半导体激光器、KrF准分子激光器或灯泵浦激光器，激光器的发射波长为248-355nm。
全固态半导体激光器、KrF准分子激光器或灯泵浦激光器均为现有技术。
根据本发明优选的，激光器的发射波长为248nm、266nm或355nm。
本发明选用的激光器其发射激光波长可以是355nm或266nm紫外激光，也可以是248nm紫外激光。只要波长可透过蓝宝石的激光都可用于蓝宝石模板上GaN单晶衬底的剥离。
根据本发明优选的，所述光束整形器包括：非球面的凸透镜和非球面的凹透镜；凹透镜位于激光器与凸透镜之间，凹透镜的焦距是所述凸透镜的焦距的1/3；所述光束整形器用于对由所述激光器发射的高斯光束进行整形，调整激光器发射出激光光斑大小，并使得整形后形成的均匀平顶光束入射至剥离样品上。
根据本发明优选的，所述振镜系统为三维(3D)振镜或二维(2D)振镜。
振镜系统的引入是为了替代运动平台，消除运动平台运动过程中引起的待剥离样品的震动。通过控制振镜系统软件调整激光光路的扫描路径，实现待剥离样品的整片扫描。同时，振镜系统的扫描精度高于运动平台的运动精度，达到精确扫描，提高剥离精度，实现完整GaN单晶衬底剥离的目的。
根据本发明优选的，所述的固定加热炉包括加热炉壳，炉壳内为加热炉腔体，加热炉腔体内设置有待剥离样品托台，炉壳的顶部设置有剥离窗口，炉壳与剥离窗口之间设置有水冷法兰，水冷法兰将剥离窗口与炉壳固定连接在一起，炉壳的底部设置有支撑板，用于支撑加热炉。
进一步优选的，固定加热炉连接有温控系统，用于控制加热炉的温度，固定加热炉的温度实现室温到900℃连续可调，并且升温速度在1-15℃/min调控。
根据本发明优选的，剥离窗口的形状与炉壳相匹配，剥离窗口为蓝宝石窗口片、CaF2窗口片或石英玻璃。
蓝宝石窗口片或CaF2窗口片可透过355nm紫外激光。
根据本发明优选的，待剥离样品托台为可调高度样品托台。
可调高度样品托台只要能实现上下调整高度的均可。
根据本发明优选的，炉壳上设置有加热电阻丝，炉壳的上部还设置有风冷装置。
本发明的固定加热炉温度可实现室温到900℃连续可调，并且升温速度可在1-15℃/min调控。加热炉的温度控制，可通过加热炉配备的温控表实现控温，也可通过与激光器集成到一起的软件实现控制。加热炉用于剥离过程中，调控待剥离样品的剥离温度。加热炉腔体内部固定有放置待剥离样品的托台，托台高度可手动微调；加热炉顶部有水冷法兰，通过水冷法兰降低加热炉扩散出的温度，同时引入了风冷装置，保证加热炉周围温度控制在30℃以内。水冷法兰上部固定有剥离窗口，透过紫外激光入射到待剥离样品表面。剥离窗口由蓝宝石、石英玻璃或CaF2等材料制成，其他凡是可透过紫外激光的材料都可用于剥离窗口。
成像设备实时监测剥离过程，根据实际剥离情况调整剥离工艺，提高自支撑GaN单晶剥离的成功率。
一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离方法，采用上述装置进行，包括步骤如下：
1)打开激光器红光指示灯进行标定，使激光扫描到待剥离样品整个表面，设置激光线扫描速度为1.5mm/min，光斑直径调整为2mm；
2)打开固定加热炉，使固定加热炉以3-8℃/min的升温速率升温到820-860℃，打开激光器发射激光，按步骤1)设定的扫描路径和扫描速度，激光器发出的激光依次经过光束整形器、振镜系统照射到所述待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察；
3)剥离结束后，固定加热炉降温，降到室温时，取出剥离完成样品。
本发明的优点：
1、本发明的高温激光剥离装置用3D振镜系统替代运动平台，大大提高了剥离的精度。
2、本发明的高温激光剥离装置采用固定加热炉对剥离过程控温，保证一定范围的均温区，提高激光剥离温度的稳定性。
3、本发明的高温激光剥离装置中引入显微成像设备，可实现整个剥离过程的实时监测。
4、本发明的高温激光剥离装置，采取了两种降温措施，一是在加热炉顶部安装有水冷法兰；二是在振镜系统左下侧增加了风冷装置。
附图说明
图1是本发明蓝宝石上GaN单晶衬底激光剥离装置的结构示意图；
图2是剥离装置加热炉的结构示意图；
图中，1激光器、2光束整形器、3振镜系统、4固定加热炉、5支撑板、6成像设备、7风冷装置、41剥离窗口、42水冷法兰、43待剥离样品托台、44待剥离样品。
具体实施方式
为了进一步详细说明本发明的结构特征、技术方式以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细阐述。
实施例1：
一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置，结构如图1、图2所示。包括固定加热炉4和激光加工成像设备，所述固定加热炉4用于固定、加热待剥离样品44，激光加工成像设备位于固定加热炉4上方，所述激光加工成像设备为封闭结构；
所述激光加工成像设备包括激光器1、光束整形器2、振镜系统3和成像设备6；激光器1发出的激光依次经过所述光束整形器2、所述振镜系统3照射到所述待剥离样品44上，待剥离样品44反射的照明光成像至成像设备6上，实现剥离过程的实时监察。
激光器1采用的是灯泵浦紧凑型355nm纳秒紫外激光器。最大单脉冲能量达40mJ，重复频率1-20Hz，激光原始光斑直径6mm，经光束整形器2调整后，可在1-3mm范围内可调。振镜系统3选用三维(3D)振镜，可实现光路在x轴、y轴与z轴方向的调节。
所述光束整形器包括：非球面的凸透镜和非球面的凹透镜；凹透镜位于激光器与凸透镜之间，凹透镜的焦距是所述凸透镜的焦距的1/3；所述光束整形器用于对由所述激光器发射的高斯光束进行整形，调整激光器发射出激光光斑大小，并使得整形后形成的均匀平顶光束入射至剥离样品上。
所述的固定加热炉包括加热炉壳，炉壳内为加热炉腔体，加热炉腔体内设置有待剥离样品托台43，炉壳的顶部设置有剥离窗口41，炉壳与剥离窗口41之间设置有水冷法兰42，水冷法兰42将剥离窗口41与炉壳固定连接在一起，炉壳的底部设置有支撑板5，用于支撑加热炉。加热炉腔体内直径60mm，高度120mm，可剥离2英寸样品。剥离窗口41的形状与炉壳相匹配，剥离窗口41为蓝宝石窗口片，可透过355nm紫外激光，支撑板选用隔热材料，固定于光学平台上。
待剥离样品托台43为可调高度样品托台。炉壳上设置有加热电阻丝，炉壳的上部，振镜系统的左下侧设置有风冷装置7。
待剥离样品是HVPE法在蓝宝石模板上生长的体块GaN单晶，厚度大于500μm。
实施例2：
一种使用实施例1的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置进行剥离的方法：
1)打开激光器红光指示灯进行标定，使激光扫描到待剥离样品整个表面，设置激光线扫描速度为1.5mm/min，光斑直径调整为2mm；
2)打开固定加热炉及温控系统，使固定加热炉以5℃/min的升温速率升温到850℃，打开激光器发射激光，按设定扫描路径和扫描速度，激光器发出的激光依次经过光束整形器、振镜系统照射到所述待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察；
3)剥离结束后，加热炉开始降温，降到室温时，取出剥离完成的样品。
实施例3
同实施例1所述的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置，不同之处在于：
激光器1是248nm的KrF准分子激光器，重复频率在1-10Hz，单脉冲能量可达50mJ，激光光斑直径固定为3mm。激光经光束整形器2后，转变为平顶光束。振镜系统3选用二维(2D)振镜，实现光路在x轴、y轴方向的调节，通过软件控制激光光束的扫描路径，完成待剥离样品的整片扫描。
加热炉腔体内直径110mm，高度150mm，可剥离4英寸(兼容2英寸)样品。剥离窗口41的形状与炉壳相匹配，剥离窗口为CaF2，可透过355nm紫外激光，支撑板选用隔热材料，固定于光学平台上。待剥离样品44是HVPE法在蓝宝石籽晶上生长的体块GaN单晶，或是MOCVD法在蓝宝石上生长的厚膜GaN单晶。
实施例4：
一种使用实施例3的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置进行剥离的方法：
1)打开激光器红光指示灯进行标定，使激光可扫描到待剥离样品整个表面，设定激光线扫描速度1.5mm/min，光斑直径调整为3mm。
2)打开固定加热炉及温控系统，使固定加热炉以5℃/min的升温速率升温到800℃，打开激光器发射激光，按设定扫描路径和扫描速度，激光器发出的激光依次经过光束整形器、振镜系统照射到所述待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察；
3)剥离结束后，加热炉开始降温，降到室温时，取出剥离完成的样品。
需要说明的是，以上只是本发明的优选实例，并不用于限制本发明，但凡是在本发明精神和原则之内做的任何修改均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离方法，采用蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置进行，蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离装置，包括固定加热炉和激光加工成像设备，所述固定加热炉用于固定、加热待剥离样品，激光加工成像设备位于固定加热炉上方，所述激光加工成像设备为封闭结构；
所述激光加工成像设备包括激光器、光束整形器、振镜系统和成像设备；激光器发出的激光依次经过所述光束整形器、所述振镜系统照射到所述待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察；
所述振镜系统为三维(3D)振镜或二维(2D)振镜；
所述的固定加热炉包括加热炉壳，炉壳内为加热炉腔体，加热炉腔体内设置有待剥离样品托台，炉壳的顶部设置有剥离窗口，炉壳与剥离窗口之间设置有水冷法兰，水冷法兰将剥离窗口与炉壳固定连接在一起，炉壳的底部设置有支撑板，用于支撑加热炉；固定加热炉连接有温控系统，用于控制加热炉的温度，固定加热炉的温度实现室温到900℃连续可调，并且升温速度在1-15℃/min调控；剥离窗口的形状与炉壳相匹配，剥离窗口为蓝宝石窗口片、CaF2窗口片或石英玻璃；
剥离方法包括步骤如下：
1)打开激光器红光指示灯进行标定，使激光扫描到待剥离样品整个表面，设置激光线扫描速度为1.5mm/min，光斑直径调整为2mm；
2)打开固定加热炉，使固定加热炉以3-8℃/min的升温速率升温到820-860℃，打开激光器发射激光，按步骤1)设定的扫描路径和扫描速度，激光器发出的激光依次经过光束整形器、振镜系统照射到所述待剥离样品上，待剥离样品反射的照明光成像至成像设备上，实现剥离过程的实时监察；
3)剥离结束后，固定加热炉降温，降到室温时，取出剥离完成样品。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离方法，其特征在于，激光器为全固态半导体激光器、KrF准分子激光器或灯泵浦激光器，激光器的发射波长为248-355nm。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离方法，其特征在于，所述光束整形器包括：非球面的凸透镜和非球面的凹透镜；凹透镜位于激光器与凸透镜之间，凹透镜的焦距是所述凸透镜的焦距的1/3；所述光束整形器用于对由所述激光器发射的高斯光束进行整形，调整激光器发射出激光光斑大小，并使得整形后形成的均匀平顶光束入射至剥离样品上。
4.根据权利要求1所述的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离方法，其特征在于，待剥离样品托台为可调高度样品托台。
5.根据权利要求1所述的蓝宝石模板上GaN单晶衬底高温激光剥离方法，其特征在于，炉壳上设置有加热电阻丝，炉壳的上部还设置有风冷装置。
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