CN1973375A - 使用激光束分离材料层的方法 - Google Patents

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Abstract

通过辐照材料层和衬底之间的界面，使用剥离方法从衬底上分离材料层。根据一个示例工艺，将层分成多个与衬底上的管芯对应的区段，并且将均匀束斑的形状设置成覆盖整数个区段。

Description

使用激光束分离材料层的方法
本申请要求2004年3月29日提交、申请号为60/557,450的共同待审的美国临时专利的利益，本申请以参考方式结合其全文。
技术领域
本发明涉及材料层的分离，并且更具体地涉及通过辐照层间的界面来分离材料层，例如衬底和生长在衬底上的膜。
背景技术
已知为“蓝光LEDs”的GaN/InGaN-基发光二极管(LEDs)具有远大的前途。这些GaN/InGaN-基LEDs的实际应用已经拓展到包括例如移动电话按键(key-pads)、LCD背光、红绿灯、商业标记、汽车灯、室外全色显示板、家用照明装置等等的产品。在这些和其它应用中，这些高亮度的LEDs可以代替传统的光源，例如白炽灯和荧光灯。蓝光LEDs的特征在于在比传统光源更低的能量输入下高的光输出(节省能量、高效率)和更长的工作寿命。它们的高性能和可靠性使它们有前途成功地替代传统光源；但是需要改善当前的LED设计来克服目前已知的限制和内在的缺点。更好且更精密的制造技术通过裁剪废料、增加产率并且允许出现更先进且复杂或改进的设计而有助于促进蓝光LED的设计，从而在面向制造的设计(DFM)中促进技术更加灵活。这种改进的制造技术简化并且降低了它们的制造成本。
蓝光LED’s可以通过在蓝宝石衬底上沉积GaN/InGaN层来制造。一旦已经制造出LED，将晶片分成多个单独的管芯(dies)。一种当前的管芯分离工艺涉及下面的步骤。首先，通过研磨并且抛光晶片的背部将晶片减薄至厚度小于100μm。接着，将晶片安装到切割带上，然后通过钻石划片尖或UV激光束沿着管芯间的间隔(street)划线。最后，通过压裂工具(fracturing tool)沿着划线压裂晶片。在压裂后，拉伸切割带，使管芯彼此物理分离，从而可以进行随后的自动拾片或放片操作。这种工艺称作“划片和切断”管芯分离。
LED制造的主要成本是蓝宝石减薄和划片-切断操作。称作LED剥离(lift off)的方法极大地降低了LED制造工艺的时间和成本。LED剥离通过使制造商例如在蓝宝石晶片上生长GaN LED膜器件，然后将薄膜器件转移到电学互连的热沉中而取消了划片。在该工艺中，激光束切面照射穿过蓝宝石晶片的背面，使GaN LED器件脱粘并且将其转移到然后被封装到散热器和/或反光器的衬底上。使用特殊的晶片，可以重新使用蓝宝石生长衬底，并且可以降低LED制造成本。另外，这种途径是快速的，增加了LED的光输出，并且由于在UV激光上的低应力而具有低的操作成本。
当前的GaN LEDs设计具有阻碍了改进性能和可靠性的努力的内在限制。所述设计还具有静电放电的问题。如图1A和1B所示，蓝光LED10可以包括多层在碳化硅或蓝宝石晶片衬底14上异相外延生长的基于InGaN和GaN的层12a、12b、12c。因为蓝宝石晶片是天然的绝缘体，所以通过水平电极结构供应电流。由于p-GaN层12a的高电阻，在p-GaN上方沉积Ni/Au薄膜16来促进电流分散传播。但是，水平结构具有一些缺点。
首先，Ni/Au膜16吸收相当大部分的LED光输出。因为Ni/Au膜16对发射光具有有限的透光率，为了使它对于LED光是透明的，Ni/Au膜16是非常薄的(通常小于100)。大约25％LED自身发出的光被Ni/Au膜16吸收。此外，显著百分比的发射光在通过传输通过蓝宝石时损失。由于蓝宝石晶片与其周围之间折射率的差异，导向蓝宝石衬底14的一些光被反射回正面。Ni/Au薄膜16也吸收了大部分这种反射的输出光。
第二，Ni/Au膜16对湿气是敏感的，导致性能随时间降低。为了维持膜的透明性，通过金属蒸发沉积薄的Ni/Au，然后在环境空气或者O2环境中热处理。Ni/Au膜16形成氧化的化合物，具有富Au结构的NiOx。当在长期工作时湿气渗过氧化物膜时，LED器件10将损坏。
第三，由于电流拥塞效应(current crowding effect)，Ni/Au膜16经历InGaN MQW发光层12b工艺效率的降低。因为电流传播的Ni/Au膜16具有比n-GaN层12c更低的电阻，所以电流可能在n(-)电极20附近的区域18中拥塞(参见图1A)。因此，电流拥塞的现象可能阻止均匀使用有源InGaN区，导致由于有源区的不均匀使用引起的低的光输出效率和低的可靠性。
第四，水平电极结构可以产生电流瓶颈(current bottle neck)效应，导致低的可靠性。通过p(+)电极22供应的电流传播跨过Ni/Au膜16，并且从p-GaN 12a通过InGaN 12b流向n-GaN 12c。因为n(-)电极20水平地位于n-GaN 12c处，所以电流在电极20的区域24中形成瓶颈(图1A和1B)。
具有垂直电极结构的LED克服水平LED结构的许多缺点。如图2所示，具有垂直结构的LED30从蓝宝石衬底到导电衬底34，例如硅片包括GaN层32a、32b、32c。垂直电极结构可以取消Ni/Au膜，大大增加了光输出。垂直结构允许沉积金属反射层36，使在水平结构中通过蓝宝石时的光损失最小化。垂直结构还通过降低或者消除电流拥塞和瓶颈而提高了可靠性和性能。构造垂直LED结构中的一个因素是GaN层从外延蓝宝石晶片到导电硅片的成功剥离工艺。
图3中显示了高亮度垂直LED构造的一个实例。首先，在蓝宝石晶片38上沉积GaN层32a、32c。在p-GaN上沉积了金属薄膜反射器36后，然后在该金属薄膜反射器上方粘合Si衬底，或者任何其它导电衬底34(包括GaAs衬底和厚金属膜)。通过如下面所述的UV激光剥离除去蓝宝石晶片。在n-GaN层上沉积n(-)电极并且在Si片上沉积p(+)电极。因为n-GaN层比p-GaN层具有更低的电阻，所以不再需要薄的Ni/Au膜。因此，更均匀地传播电流而没有拥塞或者瓶颈效应。在垂直结构下，消除了麻烦的Ni/Au薄膜导致LEDs的性能和可靠性增加。
使用UV激光剥离工艺可产生垂直结构。UV激光剥离的一个途径涉及使用GaN(高吸收)薄膜层和蓝宝石衬底之间的UV光吸收差异，用UV激光脉冲选择性辐照GaN/蓝宝石界面。通常，GaN层异相外延生长在蓝宝石晶片上。为了便于GaN晶体生长，可以在大约300℃的较低温度下沉积缓冲层。尽管缓冲层有助于在高温下生长GaN层时，由于大的晶格失配缓冲层包含非常高密度的各种缺陷。晶体缺陷，如位错、纳米管道和反相畴(inversion domains)升高了表面能，因此增加了入射UV光的吸收。用于剥离工艺的入射激光束具有远在蓝宝石晶片吸收阈值以下的能量密度，使之传播通过而不会导致任何损伤。相反，激光能量密度高至足以在界面处引起光诱导的分解，这就允许界面的脱粘(debonding)。
已有关于UV激光剥离工艺的研究。Kelly等表明使用355nm的Q-开关的Nd：YAG激光器，GaN被通过透明的蓝宝石的激光辐照分解。(参见M.K.Kelly，O.Ambacher，B.Dalheimer，G.Groos，R.Dimitrov，H. Angerer和M.Stutzniann，Applied Physics Letter，第69卷，第1749页，1996)。Wong等人使用248nm的受激准分子激光来实现从蓝宝石晶片上分离～5μm薄GaN膜。(参见W.S.Wong，T.Sands和N.W.Cheung，Applied Physics Letter，第72卷，第599页，1997)。Wong等人进一步发展了使用248nm的受激准分子激光在GaN LED上的剥离工艺(W.S.Wong，T.Sands，N.W.Cheung，M.Kneissl，D.P.Bour，P.Mei，L.T.Romano和N. M.Johnson，Applied Physics Letters，第75卷，第1360页，1999)。Kelly等人还表明了使用Q-开关的355nm的Nd:YAG激光器的光栅扫描来剥离275μm厚的自支撑GaN膜。(M.K.Kelly，R.P.Vaudo，V.M.Phanse，L.Gorgens，O.Ambacher和M.Stutzmann，Japanese Journal of Applied Physics，第38卷，第L217页，1999)。Kelly等人还报道了由于来自GaN-蓝宝石晶片的高残余应力，在激光剥离工艺中他们难以克服GaN厚膜的扩展的裂缝。同上，在该研究中，作者必须将GaN/蓝宝石晶片加热至600℃，但是他们不能完全抵消由于残余应力引起的裂缝问题。
尽管来自UV激光剥离的优点，但是由于低的工艺产率引起的不良的生产率已经限制了GaN LED的制造。低的产率部分是由于源于金属-有机化学气相沉积(MOCVD)工艺产生的GaN-蓝宝石晶片中的高残余应力。MOCVD工艺需要600℃以上的活化温度。如图4A所示，通过MOCVD工艺在蓝宝石晶片38上沉积GaN和InGaN层32。因为在GaN(5.59×10-6/°K)和蓝宝石晶片(7.50×10-6/°K)之间热膨胀系数的巨大差异(参见表1)，当GaN/蓝宝石晶片从MOCVD工艺的高温冷却至环境温度时存在高水平的残余应力，如图4B所示。残余应力包括GaN上的压缩残余应力40和蓝宝石上的拉伸残余应力42。
表1 GaN和蓝宝石的不同材料性质
材料 结构   晶格常数a()   晶格常数c()   密度(g/cm3)   带隙能(eV)   热膨胀×10-6/°K
  蓝宝石   六方   4.758   12.991   3.97   9.9   7.50
  GaN   六方   3.189   5.815   6.1   3.3   5.59
当具有足够能量的入射激光脉冲击中GaN/蓝宝石界面时，辐照导致界面瞬间胶粘。因为入射的激光脉冲具有有限的尺寸(通常远小于1cm2)，所以它只产生小部分脱粘或剥离的界面。因为脱粘区域的周围仍具有高水平的残余应力，所以它在粘合/脱粘边界处产生应力集中，导致边界处的裂缝。这种与残余应力相关的裂缝已经是UV激光剥离工艺的障碍之一。
当前，在GaN/蓝宝石晶片上进行激光剥离工艺有不同的方法。一种方法涉及Q-开关的355nm的Nd:YAG激光器的光栅扫描(例如参见M.K.Kelly，R.P.Vaudo，V.M.Phanse，L.Gorgens，O.Ambacher和M.Stutzmann，Japanese Journal of Applied Physics，第38卷，第L217页，1999)。图5A中阐述了使用固态激光器的该剥离工艺。另一种方法使用248nm的受激准分子激光器(例如参见W.S.Wong，T.Sands，N.W.Cheung，M.Kneissl，D.P.Bour，P.Mei，L.T.Romano和N.M.Johnson，Applied Physics Letters，第75卷，第1360页，1999)。图5B中阐述了这种使用受激准分子激光器的剥离工艺。
两种工艺都使用光栅扫描，如图6所示，其涉及激光束44或GaN/蓝宝石晶片靶46的平移。与光栅扫描方法相关的问题是它需要重叠曝光来覆盖所需区域，对于特定的位置导致多次曝光48。在上述两种方法中，GaN/蓝宝石的激光剥离是单脉冲工艺。局部区域中不必要的多次曝光通过诱导在膜上过量的应力而增加了出现裂缝的可能性。
如图7所示，光栅扫描还涉及激光束44从一端到另一端的扫描，使GaN/蓝宝石界面从一侧向另一侧逐渐分离。这种残余应力侧到侧的释放在分离的和未分离的区域之间的界面50，即扫描的和未扫描的区域之间的界面处引起大的应力水平的差异。界面50处残余应力水平的差异增加了模型I和模型II裂纹传播的可能性。尽管图6和7的阐述以使用固态激光器的工艺为基础，准分子激光的光栅扫描将产生相似的结果。
当前，蓝宝石晶片的通常尺寸是两英寸直径，但是对于GaN的异相外延生长也可以使用其它的尺寸(例如三英寸和四英寸的晶片)。对于GaN/蓝宝石晶片，残余应力的水平在晶片是不同，并且可以一起存在压缩和拉伸残余应力。残余应力的存在可以由圆片翘曲或者弓形弯曲观察到。如上所述，当激光剥离工艺弛豫连续GaN/蓝宝石界面的大部分区域时，在脱粘和粘合界面间的边界处可能产生严重的应变梯度。这种应变梯度可能引起GaN层的裂缝扩大。
当用强的激光脉冲辐照靶材时，靶材的浅层可以瞬间蒸发成高温高压的表面等离子体。这种现象称作烧蚀(ablation)。烧蚀产生的等离子体随后扩展到周围。表面等离子体的扩展可能诱导将脉冲转移到靶材上的冲击波。当使激光通过放在靶上面的透明材料时，可以将烧蚀限制在两种材料之间。在这种受限的烧蚀期间，在界面处俘获的等离子体可能产生更大量的冲击波，增加了冲击压力。来自GaN/蓝宝石界面处受限烧蚀的爆炸性冲击波不仅会引起GaN层从蓝宝石衬底上分离，而且可能使激光束斑附近的GaN层断裂(例如参见P.Peyre等，Journal of Laser Applications，第8卷，第135-141页，1996)。
因此，需要一种从蓝宝石晶片上分离GaN薄膜的改进方法来解决与由于分离的膜层的断裂而导致低产率的残余应力相关的问题。还需要可以拓展到任何剥离应用中的工艺来解决上述一个或多个问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：提供第一和第二衬底以及在所述衬底之间的至少一层材料，将所述至少一层材料分成由间隔分开的多个区段；使用激光形成束斑，其中将所述束斑的形状设置成覆盖包括整数个所述区段的区域以及所述区域中所述区段之间的任意个所述间隔；以及使用所述束斑辐照所述第一衬底和所述区段之间的界面，其中对于包括所述整数个所述区段的多个区域进行所述辐照，直至从所有所述区段中分离所述第一衬底。
根据本发明的另一方面，提供一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：提供上面形成至少一层材料的衬底；至少使用激光和均束器形成均匀束斑；以及使用所述均匀束斑的单脉冲，用基本上均匀分布的激光能量密度辐照所述层和所述衬底间的界面，其中所述均匀束斑的所述激光能量密度足以在所述界面诱导爆炸冲击波，其中所述爆炸冲击波从所述材料层分离所述第一衬底。
根据本发明的再一方面，提供一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：提供上面形成至少一层材料的衬底；向所述至少一层材料附加第二衬底；以及通过相对于所述界面以一定角度范围将所述界面暴露于激光下来辐照所述第一衬底和所述材料层之间的界面，从而从所述材料层分离所述第一衬底。
附图说明
结合附图，通过阅读下面详细的说明将更好理解这些和其它特征及优点，附图中：
图1A是说明具有水平电极结构的传统GaN LED剖面的示意图。
图1B是图1A中所示的GaN LED的俯视图。
图2是说明具有垂直电极结构的GaN LED剖面的示意图。
图3是说明具有垂直电极结构的GaN LED的构造的流程图。
图4A是说明在MOCVD工艺期间的GaN/蓝宝石晶片的示意图。
图4B是说明在MOCVD工艺后GaN/蓝宝石晶片上形成残余应力的示意图。
图5A是说明使用Q-开关的355nm Nd:YAG激光器在GaN/蓝宝石晶片上激光剥离的传统方法的示意图。
图5B是说明使用248nm准分子激光器在GaN/蓝宝石晶片上激光剥离的传统方法的示意图。
图6是说明在GaN/蓝宝LED晶片上Q-开关的355nmNd:YAG激光器的光栅扫描和所得多次曝光的示意图。
图7是说明在GaN/蓝宝LED晶片上光栅扫描和所得应力的示意图，所述应力在界面处产生模型I和模型II裂纹的高度可能性。
图8是与本发明的一个实施方案一致，使用激光脉冲诱导冲击波来分离层的示意图。
图9是与本发明的一个实施方案一致，说明激光曝光区域和层分离的剖面的示意图。
图10A-10C是显示了不同激光能量密度的效果的示意图。
图11是晶片的示意图，与本发明的一个实施方案一致，说明了在间隔上选择性烧蚀GaN层而将GaN层分成多个管芯，留下完整的蓝宝石晶片。
图12是光束输送系统的示意图，与本发明的另一个实施方案一致，说明均匀束的投影和沿着光束路径所示的代表性的束剖面图。
图13是晶片的示意图，与本发明的另一个实施方案一致，说明使用分步重复工艺的激光剥离曝光。
图14是晶片的示意图，说明使用分步重复剥离工艺在3×3LED阵列上的单次脉冲曝光。
图15是与本发明的再另一个实施方案一致，说明激光剥离工艺的示意图，其结合了残余应力的分离和精确的分步重复激光束曝光。
图16是晶片的照片，通过具有可变像散焦点束斑的固态UV激光器选择性除去GaN。
图17是与本发明的再一个实施方案一致，说明用正方形束斑同心或螺旋激光剥离曝光的示意图。
图18是与本发明的再一个实施方案一致，说明用圆形束斑同心或螺旋激光剥离曝光的示意图。
图19是与本发明的再一个实施方案一致，说明用可变的环形束斑同心激光剥离曝光的示意图。
图20是与本发明的再一个实施方案一致，说明激光剥离工艺的图。
具体实施方式
具体实施方式描述了与本发明一致的工艺的示例性实施方案，它们解决了与现有剥离工艺相关的问题并且增加了生产率。本发明的应用不局限于下面示例性的实施方案。尽管示例性的实施方案提到了GaN和蓝宝石及GaN/蓝宝石界面，但是可以使用本领域技术人员已知的其它类型的衬底和材料层。另外，可以在GaN(或其它材料层)和蓝宝石(或其它类型衬底)之间提供牺牲层。
参照图8，可以引导激光穿过至少一层衬底材料102到达至少一个靶材104，从而分离材料102、104。在示例性的实施方案中，衬底材料102是蓝宝石并且靶材104是氮化镓(GaN)。通过使用在靶材104和衬底材料102的界面106处足以诱导冲击波的激光能量密度，从而瞬间从衬底材料102上使靶材104脱粘来实现材料102、104的分离。作为迅速升高等离子体温度时离子化的蒸气密度增加的结果，可以通过等离子体108在界面处的爆炸性扩展来产生冲击波。激光能量密度可以处于足以在靶材104上诱导力Fa以引起分离而不会压裂的范围内。施加的力Fa可以表达如下：
PP(GPa)＝C[Ir(GW/cm2)]1/2
Fa(N)＝PP(GPa)Ar(cm2)
其中，PP是爆炸性冲击波诱导的峰压，C是效率和几何因子，Ir是入射激光束的辐照度，Fa是外加力，并且Ar是辐照面积。
当等离子体108扩展时，如图9所示，激光曝光的区域用作在激光曝光区域的边缘处转动的弯曲臂。例如，可以将破裂或压裂所需的力(Fr)看作两点弯曲试验并且可以表达如下：
F r ∝ w d 2 L σ r
其中，d是靶材104的厚度，w是外加力的宽度或者激光脉冲的宽度，L是外加臂的长度或者激光脉冲的半宽度，并且σr是GaN破裂或压裂应力的模量。为了增加力(Fr)，可以增加激光脉冲的宽度w并且可以降低激光脉冲的半长度L，从而形成线形光束。线形光束可以跨过靶材扫描以使辐照时的弯曲力矩最小。
例如，在GaN烧蚀阈值下的激光能量密度(在248nm下～0.3J/cm2)下，不能成功实现GaN/蓝宝石界面106的瞬间分离，如图10A所示。尽管在烧蚀阈值下GaN可能分解，但是因为在无烧蚀下没有驱动力，即来自扩展等离子体的冲击波，所以仅仅这样不能实现界面106的瞬间分离。相反，施加过强的激光能量密度可能产生过度的爆炸性应力波传播，在靶材104(例如GaN膜)上导致裂纹和断裂，如图10C所示。当如图10B所示，使辐照的激光能量密度最优化时，冲击波产生的力足以使界面106处的层102，104分离，但是不足以在靶材104上诱导断裂。根据使用GaN和蓝宝石的一个示例性实施方案，激光能量密度的最佳范围介于大约0.60J/cm2-1.5J/cm2之间。
激光辐照的参数，例如波长和能量密度取决于要分离的材料的类型。例如，上面讨论了用于从蓝宝石上分离GaN的最佳激光能量密度。248nm的激光波长对于从蓝宝石上分离GaN也是所需的。本领域技术人员公知248nm(5eV)的光子能量介于GaN(3.4eV)和蓝宝石(9.9eV)的能隙之间。这表明248nm的辐射在GaN中比在蓝宝石中吸收得更好，并且选择性的吸收引起导致分离的烧蚀。
本领域技术人员认识到可以使用其它的激光波长来分离其它类型的材料。例如，在蓝宝石衬底和GaN层之间可以使用缓冲层来促进GaN的外延生长。缓冲层的实例包括GaN缓冲层和氮化铝(AlN)缓冲层。在使用AlN缓冲层的情况中，因为193nm激光的光子能量(6.4eV)介于蓝宝石(9.9eV)和AlN(6.1eV)的能隙之间，所以可使用193nm的激光。
根据本发明的一个实施方案，如图11所示，在剥离或从诸如蓝宝石晶片的衬底110上分离之前，可以使要分离的一层或多层(例如GaN膜或层)形成更小的区域或区段112。在一个实施方案中，举例来说可以分离区段112，与LED管芯对应。区段112的形成在剥离工艺期间减少了界面处由于残余应力和冲击波诱导的断裂。GaN膜的区段112不太受来自其周围的诱导残余应力的影响。此外，区段112具有这些段112中的薄GaN薄膜可以耐受的不显著量的残余应力和应变。
根据一个实施例，GaN/蓝宝石LED晶片116包含区段112对称和重复的图案以形成小尺寸的LED管芯，通常是几百平方微米或矩形尺寸。对称和重复的区段112例如可以由间隔114分开，其确定了LED管芯的边界并且为例如使用划片和切断工艺的管芯分离提供了牺牲空间。尽管示例实施方案中的区段112与单个正方形管芯对应，但是本领域技术人员将认识到可以形成其它结构和形状，如矩形形状。
通过在间隔114上选择性除去或刻蚀GaN层，可以将GaN膜分隔成区段112。在间隔114上选择性除去GaN层的一种方法是通过本领域技术人员通常公知的反应性离子刻蚀。这种方法具有一些缺点，包括慢的刻蚀速率和必需处理危险化学试剂。另一种方法包括采用由变形束输送系统形成的可变像散焦点束斑，通过固态UV激光器选择性刻蚀，如美国专利申请第10/782,741号中所公开，该专利全部引入本文作参考。可变像散焦点束斑可以有效地调节其尺寸至最佳的激光能量密度，从而在间隔114上选择性地烧蚀GaN层而不影响蓝宝石衬底(参见图11)。这种选择性的GaN烧蚀使用GaN(在248nm下0.3J/cm2)和蓝宝石(在248nm下2J/cm2以上)之间烧蚀阈值大的差异。
根据另一种方法，可以使用图案化的激光投射(例如使用准分子激光器)进行刻蚀。图案化的准分子激光束还可以用来将GaN间隔或器件干法图案化成形，或者图案化诸如ITO、金属化、或者介电绝缘层，或者用于其它器件或者导电或绝缘层的其它薄膜。作为除去连续GaN膜部分以形成区段112和间隔114的替代选择，可以在衬底110上形成(例如生长)GaN作为区段112和间隔114。但是，与生长具有间隔114和区段112图案的GaN层相比，生长连续的GaN膜可能是更经济的。
根据另一种方法，在已经除去衬底110后，例如可以使用反应性离子刻蚀来加宽区段112之间的间隔114。间隔114的再次刻蚀可以降低或者消除在区段112的侧壁，例如n-GaN和p-GaN结处漏电流的可能性。
可以使用剥离工艺通过辐照衬底110和区段112之间的界面而从衬底110(例如蓝宝石晶片)上分离区段112(例如GaN层)。示例性的激光剥离工艺可以使用具有均匀束斑和如上所述足以诱导冲击波的能量密度的单脉冲工艺。单脉冲工艺避免了衬底110和区段112之间界面处的重叠曝光并因此使压裂最小化。可以使用均匀束斑来辐照要分离层间的界面以基本上消除密度梯度，从而便于有效的剥离。可以与UV固态激光器和准分子激光器一起使用均束器，以产生用于剥离工艺的均匀束斑。一个示例性的实施方案使用248nm的KrF准分子激光器。具有放电作用的气态激光介质在大的原始束径下产生高的平均功率。均束器的应用在准分子激光大且强的原始光束下是有效的。另外，在束斑中提供均匀分布的激光能量密度在单脉冲辐照下的区域中有利地产生有效的剥离。
图12说明均匀光束通过近场成像投影的一个实例并且表示了沿着光束路径的代表性的光束剖面图。来自准分子激光器120的原始光束120在短侧具有高斯分布/在长侧具有平顶分布。均束器122(例如多阵列结构)使梯度原始光束剖面成为正方形的平顶剖面。由掩模124(例如矩形可变孔径)裁剪均化的光束以使用光束的最佳部分，例如使用束成像透镜126通过近场成像将其投影到LED靶晶片116上。因此，LED晶片116上均匀束斑130的边缘分辨率。尽管在本示例性的实施方案中表示了束输送系统的一种结构，但是本领域技术人员将认识到可以使用其它结构来产生并投射均匀的束。尽管示例性的实施方案表示了具有矩形孔径的掩模124，任何形状的掩模都可以用于近场成像。
根据一种示例性的方法，使用分步重复工艺进行剥离曝光。如图13所示，将均化的束斑130的形状设置成包括整数个区段112(例如与整数个LED管芯对应)。基于分离的区段112的尺寸，精确设置束斑130的尺寸，使之包括多个分离的区段112，如3×3阵列。可以使用单脉冲曝光辐照衬底和整数个区段112之间的界面，并且对于每组区段(即管芯)可以重复该工艺。图13中的序数表示分步重复工艺的示例性顺序。当对于每组区段112重复辐照时，可以进行束斑130的缝合。有利地，可以在间隔114内进行缝合以避免在有源LED区域中可能的损伤。在示例性的工艺中，束斑130的缝合保持在大约5μm内。
图14说明通过248nm准分子激光器对LED剥离晶片单脉冲曝光的实例。在图14中，均化的束斑覆盖了九(9)个LED管芯并且脱粘的GaN/蓝宝石界面显现得更亮。
由于单脉冲在小区域中精确控制的曝光，示例性的激光剥离曝光不需要加热LED晶片以抵消残余应力。可以在室温下进行曝光。因为剥离曝光的激光穿过蓝宝石晶片，所以蓝宝石表面上的损伤或碎片在GaN/蓝宝石界面处造成屏蔽，在剥离界面上引起缺陷。可以抛光蓝宝石表面以除去任何碎片或颗粒。剥离曝光还可以在不同角度范围内应用到靶上，这将降低或消除屏蔽效应。
上述示例性的工艺可以为成功的工业应用提高UV激光剥离工艺的生产率和产率。与本发明一致的示例性方法结合了LED晶片上残余应力的分离和均匀束激光曝光。在间隔上选择性刻蚀GaN层将膜分成小的区域，来自周围的残余应力对它们具有最小的影响。另外，小区域自身具有最小的残余应力，在剥离曝光时这将几乎不会影响GaN膜。均化的光束在束斑中基本上分配均匀的激光能量密度。具有均化激光束的精确激光曝光使正确的剥离具有最佳的激光能量密度。
图15说明示例性的剥离工艺。在蓝宝石衬底110上生长出一层或多层GaN层132后，可以应用保护涂层135，从而在激光划片后阻止在GaN层132上沉积激光产生的碎片。通过激光划片或者反应性离子刻蚀进行选择性除去GaN层132以形成间隔114和区段112。在除去保护涂层135后，在GaN层132上粘合导电衬底134。导电衬底134可以是任意类型的导电陶瓷和金属，包括但不局限于Si、Ge、GaAs、GaP、铜、铜钨和钼。还可以在GaN层132和导电衬底134之间形成反射层(未显示)。然后，通过激光剥离工艺除去蓝宝石衬底。在激光剥离后，为了沉积电极金属膜或者其它所需步骤可以处理GaN表面。最后，例如在区段112之间分离晶片以形成单个LED管芯。
图16中显示了在实际的晶片上选择性除去GaN层的实例，其中使用采用可变像散焦点束斑提供高速激光切割的固态UV激光器来除去GaN。在该实施例中，首先在蓝宝石晶片上生长不含管芯或间隔图案的整片GaN层。由通过激光切出的线条定义LED管芯尺寸。在该实施例中，选择性除去或激光切割的宽度仅是大约5μm，这使晶片实际地方的损失最小。
在用于剥离的导电衬底中，钼具有所需的性质，如热膨胀匹配系数(CTE)、蓝光光谱中的高反射率和高强度及低延展性。钼具有比较接近GaN(5.6×10-6/K)的CTE(4.8×10-6/K)。诸如PdIn和SnAu的金属化合物可以用于在GaN上粘合导电衬底。当使用这些粘合金属时，例如将GaN和衬底加热至大约400℃。GaN层的剥离衬底之间大的CTE失配可以引入另一种高水平的残余应力，这对粘合工艺是有害的。例如，尽管Cu具有大的热导率和电导率，但是因为其高的CTE(16.5×10-6/K)而在2英寸GaN/蓝宝石晶片下作为剥离衬底是不可取的。
钼在从350nm-450nm的蓝光光谱区中具有大约55％的反射率。该值与其它金属是可比的。例如大多数金属在410nm下反射率值如下：金(37％)、铜(51％)、镍(50％)、铂(57％)、铁(58％)、铬(70％)、银(86％)、铝(92％)。尽管可比的反射率使钼能直接用作反射器(即不用单独的反射层)，但是通过沉积具有高反射率的金属膜，如铝和银可以使光输出最大。GaN和钼之间高反射的膜层例如可以增加蓝光LED的性能而不会引入高水平的残余应力。例如，通过溅射可以在GaN表面上沉积铝来形成反射层。因为铝膜的氧化对与钼衬底的粘合有害，所以可以沉积另一层金属膜来防止氧化并增强粘合。不会氧化并且允许钼粘附到铝膜上的金属膜的实例包括但不局限于锡、锌、铅和金。
钼还在管芯分离工艺期间提供优点。主要由于金属膜高的延展性，传统的钻石锯或钻石划片器难以用于分离金属膜。激光切割和划片是管芯分离的一种可选方法。但是，因为在易延展的衬底上机械断裂是困难的，所以诸如铜的具有高延展性的金属膜需要100％切断来分离。因此，因为激光切断在切割后不能维持小管芯的完整性而引起处理问题。钼具有高强度和低延展性。钼的这些独特的机械性质便于机械断裂，甚至是当激光划线达其厚度大约90％时。
根据另一种示例性的方法，激光剥离曝光可以与高速运动控制的技术结合以使生产率最大。当激光剥离使用具有精确设计的束缝合的分步重复曝光时，希望在靶上准确地触发激光。分步重复工艺最快的可能速度对于增加生产率也是有利的。可以使用运动的控制的特殊功能来比较运动工作台的位置并且在预定位置处向激光器发送触发信号。该技术称为“位置比较并触发”或者“运动时启动(fire on fly)”。当运动工作台连续运动时，运动控制器中的处理器不断比较编码计数器和用户编程的值，并且向具有匹配值的激光器发送触发信号。因此，对于分步重复工艺不需要停止运动工作台，而是可以在连续运动中移动，即激光在运动时启动。例如，当剥离工艺使用运动时启动技术时，激光脉冲重复速率200Hz、1×1mm2的均匀束斑尺寸可以在大约1分钟内执行2英寸直径LED晶片的剥离工艺。
尽管示例性的实施方案涉及在进行剥离工艺前形成间隔114和区段112，但是本文所述的技术也可以用于分离连续层而不用首先将层分段。尽管连续层的有效分离是可能的，但是在激光脉冲重叠的地方可能会形成微裂纹。
其它示例性的方法可以使用独特的技术来扫描用于曝光的激光束，例如以同心图案辐照。这些技术可以用来在衬底上进行一层或多层分离的层或者一层或多层连续层的剥离。GaN/蓝宝石LED晶片的残余应力具有同心分布，其中拉伸和压缩共存。当跨过晶片中心时，激光曝光可能在分离的和未分离的区域之间的界面，即扫描的和未扫描的区域之间的界面处引起应力水平大的差异。根据不同的方法，可以用圆形、螺旋或螺线形曝光扫描光束，从而在相同水平的应力下随着位置而弛豫残余应力。这种方法降低了扫描和未扫描区域之间界面处的应力梯度。或者，如上所述，可以跨过界面扫描尺寸使辐照时弯曲力矩最小的线光束。
图17显示了具有正方形束斑150的同心剥离曝光。图18显示了具有圆形束斑152的同心剥离曝光。在一种方法中，激光束是静止的而晶片同心平移(例如以圆形或螺线图案)来曝光。根据另一种方法，可以在静止的晶片上移动光束(例如以圆形或螺线图案)。
移动圆形光束的一种方法是使用电流计扫描器，其通过旋转马达在运动中精确控制两面镜子。也可以使用本领域技术人员已知的其它束斑，例如三角形、六边形或其它多边形。在多边形激光图案辐照多边形管芯的情况中，可以按圆形或螺旋运动移动光束以覆盖管芯或管芯组并且以控制的图案从衬底上分离膜，从而以控制的方式释放应力。
另一种可选的方法使用可变环形束斑来实现同心扫描。如图19所示，可变环形束斑154直径逐渐降低，从而从外边缘向晶片的中央同心扫描。可以通过将两个锥形光学器件结合入束输送系统(BDS)中来实现可变环形束斑，其中两个光学器件间的距离决定了束斑的直径。使用这种同心移动的环形束斑在激光剥离曝光期间提供了残余应力的稳定弛豫。
图20与另一个实施方案一致，说明分离电镀衬底的激光剥离工艺。可以用金属或金属合金电镀上面形成GaN区段112的蓝宝石晶片或衬底110，以形成金属衬底160。镍或铜，或者它们的合金可以用于电镀。然后，例如使用UV激光在区段112之间的位置162处切割金属衬底160。可以在金属衬底160上固定支持膜164，并且然后可以使用如上所述的激光剥离工艺来分离蓝宝石衬底110。然后，可以使用例如接触金属化的后激光剥离工艺来除去部分金属衬底160，以形成管芯166。然后，分离管芯166。通过在激光剥离前切割金属衬底160，因为粘合到蓝宝石衬底110上而可以维持管芯166的完整性。本领域技术人员认识到也可以使用其它材料来实施这种方法。
总之，根据与本发明一个方面一致的方法，提供第一和第二衬底并在衬底间具有至少一层材料，将材料层分成由间隔分开的多个区段。使用激光形成束斑并且将其形状设置成覆盖整数个区段。使用束斑辐照第一衬底和区段之间的界面。对于整数个区段中每个都重复进行辐照，直至从所有区段中分离第一衬底。
根据另一种方法，提供上面形成至少一层材料的衬底并且至少使用激光和均束器形成均匀束斑。使用均匀束斑的单脉冲，用基本上均匀分布的激光能量密度辐照层和衬底间的界面，从而从衬底中分离层。
根据再另一种方法，提供上面形成至少一层材料的衬底并且使用激光形成束斑。使用束斑辐照第一衬底和层间的界面。通常以同心图案辐照界面，从而从衬底中分离层。
根据再一种方法，提供上面形成至少一层材料的第一衬底并且在第一衬底上刻蚀材料层，将层分成多个间隔分开的区段。向区段附加第二衬底并且使用激光形成均匀束斑。将均匀束斑的形状设置成覆盖整数个区段。使用均匀束斑辐照第一衬底和区段之间的界面。对于整数个区段中每个都重复进行辐照。从所有区段中分离第一衬底。
根据再另一种方法，提供上面形成至少一层GaN的第一衬底并且在该GaN层上形成至少一层膜。该膜可以包括反射膜。向该膜附加包括钼的第二衬底并且辐照第一衬底与GaN层之间的界面，从而从GaN层中分离第一衬底。
尽管本文已经说明了本发明的原理，本领域技术人员很清楚只是通过实施例进行这种说明，而不是限制本发明的范围。除了本文显示并说明的示例性实施方案外，其它的实施方案也都考虑在本发明的范围内。本领域一般技术人员进行的修改和替换都被认为在本发明的范围内，除了下面的权利要求外，本发明不受限制。

Claims (57)

1.一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：
提供第一和第二衬底以及在所述衬底之间的至少一层材料，将所述至少一层材料分成由间隔分开的多个区段；
使用激光形成束斑，其中将所述束斑的形状设置成覆盖整数个所述区段；以及
使用所述束斑辐照所述第一衬底和所述区段之间的界面，其中对于所述整数个所述区段中每个都进行所述辐照，直至从所有所述区段中分离所述第一衬底。
2.权利要求1的方法，其中对于所述整数个所述区段中每个都进行所述辐照，从而只在所述区段之间的间隔内发生所述束斑的缝合。
3.权利要求1的方法，还包括：
在工作台上移动所述衬底和所述层；以及
使所述工作台的位置与预定的值比较，其中基于所述位置触发所述激光来形成所述束斑并且辐照所述第一衬底和所述整数个所述区段中每个之间的所述界面。
4.权利要求3的方法，其中所述工作台基本上连续移动。
5.权利要求1的方法，其中所述区段通常是矩形并且其中所述束斑通常是矩形。
6.权利要求1的方法，还包括刻蚀所述至少一层材料以形成所述多个区段。
7.权利要求6的方法，其中刻蚀所述至少一层包括使用激光束在所述间隔中选择性除去部分所述至少一层材料。
8.权利要求7的方法，其中刻蚀所述至少一层包括使用准分子激光施加图案化的激光投射。
9.权利要求7的方法，其中刻蚀所述至少一层包括使用UV二极管泵浦固态激光切割。
10.权利要求1的方法，其中所述衬底是半导体晶片，并且其中所述至少一层的所述区段与管芯对应。
11.权利要求1的方法，其中使用由均束器形成的均匀束斑辐照所述第一衬底和所述区段之间的所述界面。
12.权利要求1的方法，其中辐照所述界面包括相对所述界面以一定角度范围将所述界面暴露于激光下。
13.权利要求1的方法，其中所述激光是准分子激光，并且其中辐照所述界面包括对于所述整数个所述区段的每个，将所述界面暴露于所述准分子激光的单脉冲下。
14.权利要求1的方法，其中使用足以在所述界面诱导爆炸冲击波的激光能量密度进行辐照，其中所述爆炸冲击波从所述区段分离所述第一衬底。
15.权利要求1的方法，其中使用在大约0.60J/cm2-1.6J/cm2范围内的激光能量密度进行辐照。
16.权利要求1的方法，其中所述区段和所述间隔由另一种材料覆盖。
17.一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：
提供上面形成至少一层材料的衬底；
至少使用激光和均束器形成均匀束斑；以及
使用所述均匀束斑的单脉冲，用基本上均匀分布的激光能量密度辐照所述层和所述衬底间的界面，从而从所述衬底中分离所述层。
18.权利要求17的方法，其中形成所述均匀束斑包括使原始光束通过所述均束器，然后通过可变孔径。
19.权利要求18的方法，其中所述可变孔径通常具有矩形形状。
20.权利要求17的方法，其中所述激光包括准分子激光。
21.权利要求17的方法，其中辐照所述界面包括沿大致圆形方向移动具有所述层的所述衬底。
22.权利要求17的方法，其中在所述衬底上将所述层分成管芯的阵列，并且其中定形所述均匀束斑以包括整数个所述管芯。
23.权利要求17的方法，其中辐照所述界面包括相对所述界面以一定角度范围将所述界面暴露于激光下。
24.权利要求17的方法，其中所述衬底是蓝宝石晶片，并且其中所述至少一层材料包括至少一层GaN。
25.权利要求24的方法，其中所述至少一层还包括GaN缓冲层。
26.权利要求24的方法，其中使用248nm准分子激光形成所述均匀束斑。
27.权利要求24的方法，其中所述至少一层还包括AIN缓冲层。
28.权利要求27的方法，其中使用193nm准分子激光形成所述均匀束斑。
29.权利要求17的方法，其中使用足以在所述界面诱导爆炸冲击波的激光能量密度进行辐照，其中所述爆炸冲击波从所述区段分离所述第一衬底。
30.权利要求29的方法，其中所述激光能量密度在大约0.60J/cm2-1.6J/cm2的范围内。
31.权利要求17的方法，其中将所述均匀束斑形状设置成伸长的线，并且其中辐照包括跨过所述界面扫描所述伸长线。
32.一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：
提供上面形成至少一层材料的衬底；
使用激光形成束斑；以及
使用所述束斑辐照所述第一衬底和所述层间的界面，其中通常以同心图案辐照所述界面，从而从所述衬底中分离所述层。
33.权利要求32的方法，其中所述束斑通常是多边形形状，并且所述同心图案是螺旋图案。
34.权利要求32的方法，其中所述束斑通常是圆形，并且所述同心图案是螺旋图案。
35.权利要求32的方法，其中所述束斑是均匀束斑。
36.权利要求32的方法，其中所述束斑是可变环形束斑，并且其中降低所述可变环形束斑的直径，从而同心扫描所述第一衬底和所述层之间的所述界面。
37.权利要求32的方法，其中以同心图案辐照所述界面包括移动保持具有所述层的所述衬底的工作台，从而所述束斑相对所述衬底沿螺旋的方向移动。
38.一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：
提供上面形成至少一层材料的第一衬底；
在第一衬底上刻蚀所述至少一层材料，将所述至少一层分成多个间隔分开的区段，所述区段与管芯对应；
向所述区段附加第二衬底；
使用激光形成均匀束斑，其中定形所述均匀束斑以覆盖整数个所述区段；
使用所述均匀束斑辐照所述第一衬底和所述区段之间的界面，其中对于所述整数个所述区段中每个都进行所述辐照；以及
从所有所述区段中分离所述第一衬底。
39.权利要求38的方法，还包括在分离所述第一衬底后，分离所述区段以形成所述管芯。
40.权利要求39的方法，其中分离所述区段包括在所述区段之间的所述间隔上划线所述第二衬底。
41.权利要求38的方法，其中所述第一衬底包括蓝宝石晶片。
42.权利要求38的方法，其中所述至少一层包括GaN。
43.权利要求38的方法，其中所述第二衬底包括钼及其合金。
44.权利要求38的方法，其中提供上面形成所述至少一层材料的所述第一衬底包括在蓝宝石衬底上生长多个整片的GaN层。
45.权利要求38的方法，还包括对所述至少一层施用保护涂层并且在刻蚀所述至少一层后并且附加所述第二衬底前，除去所述保护涂层。
46.权利要求38的方法，其中通过使由所述激光产生的原始光束通过均束器和孔径来形成所述均匀束斑。
47.权利要求46的方法，还包括：
在工作台上移动所述衬底；以及
使所述工作台的位置与预定的值比较，其中基于所述位置触发所述激光来形成所述束斑并且辐照所述第一衬底和所述整数个所述区段中每个之间的所述界面。
48.权利要求38的方法，其中所述激光是准分子激光，并且其中辐照所述界面包括对于所述整数个所述区段的每个，将所述界面暴露于所述准分子激光的单脉冲下。
49.权利要求38的方法，其中使用足以在所述界面诱导爆炸冲击波的激光能量密度进行辐照，其中所述爆炸冲击波从所述区段分离所述第一衬底。
50.权利要求49的方法，其中所述激光能量密度在大约0.60J/cm2-1.6J/cm2的范围内。
51.权利要求38的方法，还包括：
在附加所述第二衬底前，在所述区段和所述间隔上方形成金属衬底；
在所述区段之间的位置处至少切割所述金属衬底；以及
在从所述区段分离所述第一衬底后，除去至少一部分所述金属衬底。
52.一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：
提供上面形成至少一层GaN的第一衬底；
在所述GaN层上形成至少一层膜，所述至少一层膜包括反射膜；
与所述至少一层膜附加包括钼的第二衬底；以及
辐照所述第一衬底与所述GaN层之间的界面，从而从所述GaN层中分离所述第一衬底。
53.权利要求52的方法，其中所述反射膜是铝膜。
54.权利要求53的方法，其中所述至少一层在所述铝膜上还包括金属膜，其中包括所述钼的第二衬底附加到所述金属膜上。
55.权利要求52的方法，还包括在附加所述第二衬底之前，在所述第一衬底上刻蚀所述至少一层GaN和所述至少一层膜，形成由间隔分开的多个管芯。
56.权利要求52的方法，其中辐照包括相对于所述界面以一定角度范围将所述界面暴露于激光下。
57.一种从衬底上分离至少一层材料的方法，所述方法包括：
提供上面形成至少一层材料的第一衬底；
向所述至少一层材料上附加第二衬底；以及
通过相对于所述界面以一定角度范围将所述界面暴露于激光下来辐照所述第一衬底和所述材料层之间的界面，从而从所述材料层分离所述第一衬底。
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