DE102013201298A1 - Manufacturing a gallium nitride-based LED, comprises depositing a semiconductor layer structure comprising a gallium nitride-based semiconductor layer on a substrate, and partially removing the layer in local areas by laser machining - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Halbleiterbauelements gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12.The invention relates to a method for producing a semiconductor component according to the preamble of
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es bekannt, diese mittels photolithografischer Verfahren herzustellen. Bei diesen photolithografischen Verfahren werden Halbleiterschichten der Halbleiterbauelemente mittels spezieller Lithografiemasken strukturiert, deren Herstellung zeitaufwendig und teuer ist.For the production of semiconductor devices, it is known to produce these by means of photolithographic processes. In these photolithographic processes, semiconductor layers of the semiconductor components are structured by means of special lithography masks, the production of which is time-consuming and expensive.
Alternativ ist es bekannt, die Halbleiterschichten der Halbleiterbauelemente mittels Laserbearbeitung zu strukturieren: Beispielsweise ist in
Nachteilig an diesem Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass bei zu hohen Laserintensitäten durch die direkte Laserbearbeitung Bruchstellen im Halbleitermaterial entstehen. Ebenfalls nachteilig ist, dass eine Steuerung der Abtragstiefe durch die Laserbearbeitung nicht in der gewünschten Genauigkeit, erreicht werden kann.A disadvantage of this method according to the prior art is that at high laser intensities due to the direct laser processing fractures in the semiconductor material arise. Another disadvantage is that a control of the removal depth can not be achieved by the laser processing in the desired accuracy.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bereitzustellen, welches es ermöglicht, in einem kostengünstigen und zeitsparenden Prozess die Halbleiterschichten des Halbleiterbauelements zu strukturieren und dabei eine konstante Qualität im Vergleich zu den vorbekannten Verfahren zu garantieren. Weiterhin soll die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Bearbeitung solch eines Halbleiterbauelements zur Verfügung stellen.The present invention is therefore based on the object to provide a method for the production of semiconductor devices, which makes it possible to structure the semiconductor layers of the semiconductor device in an inexpensive and time-saving process and thereby to guarantee a constant quality compared to the previously known methods. Furthermore, the invention is intended to provide a corresponding apparatus for processing such a semiconductor device.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 13 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut der Ansprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen.This object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.The inventive method is preferably designed for implementation by means of the device according to the invention and / or a preferred embodiment thereof. The device according to the invention is preferably designed for carrying out the method according to the invention and / or a preferred embodiment thereof.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass die Strukturierung der Halbleiterschichten des Halbleiterbauelements mittels Belichtung mit Laserstrahlung durch eine Projektionsmaske die simultane Strukturierung der ganzen Oberfläche eines Halbleiterbauelements oder einer Mehrzahl Halbleiterbauelemente mittels direkter Laserbearbeitung ermöglicht und damit zu einem schnellen und kostengünstigen Herstellungsprozess führt.The invention is based on the applicant's finding that the structuring of the semiconductor layers of the semiconductor component by exposure to laser radiation through a projection mask enables the simultaneous structuring of the entire surface of a semiconductor component or of a plurality of semiconductor components by means of direct laser processing and thus leads to a fast and cost-effective production process.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements umfasst folgende Verfahrensschritte:
- A Abscheiden einer Halbleiterschichtstruktur auf einem Substrat, welche Halbleitersichtstruktur zumindest eine GaN-basierte Halbleiterschicht umfasst,
- B Zumindest teilweises Entfernen zumindest der GaN-basierten Halbleiterschicht in lokalen Bereichen mittels Laserbearbeitung.
- A depositing a semiconductor layer structure on a substrate, which semiconductor sight structure comprises at least one GaN-based semiconductor layer,
- B At least partial removal of at least the GaN-based semiconductor layer in local areas by means of laser processing.
Wesentlich ist, dass die Laserbearbeitung in Verfahrensschritt B mittels Belichtung der GaN-basierten Halbleiterschicht durch zumindest eine Projektionsmaske erfolgt, welche Projektionsmaske mit Laserstrahlung eines Ablationslasers beleuchtet wird, derart, dass Belichtungsbereiche der GaN-basierten Halbleiterschicht durch Aussparungen in der Projektionsmaske belichtet werden und Abschattungsbereiche der GaN-basierten Halbleiterschicht durch die Projektionsmaske abgeschattet werden. Hierbei liegt die Laserfluenz des Ablationslasers in den Belichtungsbereichen über der Ablationsschwelle der GaN-basierten Halbleiterschicht.It is essential that the laser processing in method step B takes place by means of exposure of the GaN-based semiconductor layer through at least one projection mask, which projection mask is illuminated with laser radiation of an ablation laser, such that exposure areas of the GaN-based semiconductor layer are exposed through recesses in the projection mask and shading areas of the GaN-based semiconductor layer can be shadowed by the projection mask. In this case, the laser fluence of the ablation laser lies in the exposure regions above the ablation threshold of the GaN-based semiconductor layer.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Verfahren: Die Laserbearbeitung der GaN-basierten Halbleiterschicht erfolgt mittels Belichtung durch eine Projektionsmaske. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die gesamte Oberfläche des Halbleiterbauelements simultan, das heißt gleichzeitig strukturiert werden kann, indem die Projektionsmaske die gewünschte Struktur auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements abbildet. Hierbei werden die Belichtungsbereiche durch Aussparungen in der Projektionsmaske belichtet, so dass ein Abtrag der GaN-basierten Halbleiterschicht durch Ablation erfolgt, da die Laserfluenz des Ablationslasers in den Belichtungsbereichen über der Ablationsschwelle der GaN-basierten Halbleiterschicht liegt.The method according to the invention thus differs in essential aspects from previously known methods: The laser processing of the GaN-based semiconductor layer is effected by means of exposure through a projection mask. This results in particular in the advantage that the entire surface of the semiconductor component can be simultaneously, ie simultaneously structured, by the projection mask imaging the desired structure on the surface of the semiconductor component. In this case, the exposure areas are exposed through recesses in the projection mask, so that ablation of the GaN-based semiconductor layer is effected by ablation, since the laser fluence of the ablation laser lies above the ablation threshold of the GaN-based semiconductor layer in the exposure areas.
Im Rahmen dieser Beschreibung umfasst „Laserbearbeitung” den Materialabtrag mittels Ablation. Die Abschattungsbereiche werden durch die Projektionsmaske abgeschattet. Hier erfolgt somit kein Materialabtrag auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements. Belichtungsbereiche und Abschattungsbereiche sind auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements in Wesentlichen komplementär. Ebenso ist es möglich eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen gleichzeitig zu strukturieren. Hierbei erfolgt die Belichtung durch die Projektionsmaske bei der Mehrzahl der Halbleiterbauelemente gleichzeitig. Dies ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung strukturierter Halbleiterbauelemente.For the purposes of this description, "laser processing" includes ablation of the material. The shading areas are determined by the Shadow projection screen. There is thus no material removal on the surface of the semiconductor component. Exposure areas and shading areas are substantially complementary on the surface of the semiconductor device. It is likewise possible to structure a plurality of semiconductor components simultaneously. In this case, the exposure takes place simultaneously through the projection mask in the case of the majority of the semiconductor components. This enables a fast and cost-effective production of structured semiconductor components.
Es liegt Im Rahmen der Erfindung, dass das Halbleiterbauelement als eine lichtemittierende Diode und/oder eine Vorstufe einer lichtemittierenden Diode während des Herstellungsprozesses ausgebildet ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Halbleiterbauelement mit einer anderen Funktion ausgebildet ist.It is within the scope of the invention that the semiconductor component is formed as a light-emitting diode and / or a precursor of a light-emitting diode during the manufacturing process. It is also within the scope of the invention that the semiconductor device is formed with a different function.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann die Halbleiterschichtstruktur einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Dabei umfasst die Halbleiterschichtstruktur zumindest eine GaN-basierte Halbleiterschicht. Es liegt jedoch ebenso Im Rahmen dieser Erfindung, dass die Halbleiterschichtstruktur zusätzlich Schichten aus anderen Materialen umfasst.In the context of this description, the semiconductor layer structure can be formed as a single layer or as a multilayer. In this case, the semiconductor layer structure comprises at least one GaN-based semiconductor layer. However, it is also within the scope of this invention that the semiconductor layer structure additionally comprises layers of other materials.
Im Rahmen dieser Beschreibung bedeutet „GaN-basiert”, dass eine Halbleiterschicht umfasst ist, welche aus einem Material aus dem nitridischen Materialsystem, insbesondere GaN, GaInN, AlGaInN und/oder AlGaN ausgebildet ist.In the context of this description, "GaN-based" means that a semiconductor layer is formed, which is formed of a material from the nitridic material system, in particular GaN, GaInN, AlGaInN and / or AlGaN.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird als Ablationslaser ein Excimer-Laser verwendet, welcher Excimer-Laser eine Wellenlänge kleiner oder gleich 351 nm und eine Pulslänge im Bereich von 40 Nanosekunden oder kleiner aufweist. Excimer-Laser weisen hohe Pulsenergien auf und ermöglichen so die Ausleuchtung einer großen Fläche mit ausreichend hohen Leistungsdichten. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht nur die gesamte Oberfläche eines Halbleiterbauelements gleichzeitig belichtet und damit strukturiert werden kann, sondern auch eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen in einem Belichtungsschritt gleichzeitig strukturiert werden können.In a preferred embodiment, an excimer laser is used as the ablation laser, which excimer laser has a wavelength less than or equal to 351 nm and a pulse length in the range of 40 nanoseconds or less. Excimer lasers have high pulse energies and thus allow the illumination of a large area with sufficiently high power densities. This results in the advantage that not only the entire surface of a semiconductor device can be exposed simultaneously and thus structured, but also a plurality of semiconductor devices can be simultaneously patterned in an exposure step.
Zusätzlich besitzt GaN bei Wellenlängen kleiner der Bandlücke (etwa 365 nm bei Raumtemperatur) einen erhöhten Absorptionskoeffizienten im Vergleich zu Wellenlängen größer der Bandlücke. Die Verwendung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge kleiner der Bandlücke hat eine reduzierte Eindringtiefe der Laserstrahlung in das Halbleitermaterial zur Folge. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein definierter Tiefenabtrag möglich ist. Zusätzlich findet keine Schädigung, insbesondere kein Ausbleichen des Halbleitermaterials (Dynamic Burnstein-Moss Shift) statt. Daher ist die Verwendung eines Excimer-Lasers mit einer Wellenlänge von 351 nm oder kürzer vorteilhaft. insbesondere bevorzugt wird ein Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm verwendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf Grund der weiter reduzierten Eindringtiefe in das GaN-basierte Halbleitermaterial das genannte Halbleitermaterial selektiv oberflächlich abgetragen werden kann. Dies ermöglicht eine effiziente, schnelle und kostengünstige Herstellung einer großen Anzahl von Halbleiterbauelementen bei gleichbleibender Qualität im Vergleich zu vorbekannten Verfahren.In addition, at wavelengths less than the band gap (about 365 nm at room temperature) GaN has an increased absorption coefficient compared to wavelengths greater than the band gap. The use of laser radiation having a wavelength smaller than the bandgap results in a reduced penetration of the laser radiation into the semiconductor material. This has the advantage that a defined depth of abrasion is possible. In addition, there is no damage, in particular no fading of the semiconductor material (Dynamic Burnstein-Moss Shift). Therefore, the use of an excimer laser having a wavelength of 351 nm or shorter is advantageous. Most preferably, an excimer laser having a wavelength of 248 nm is used. This has the advantage that due to the further reduced penetration depth into the GaN-based semiconductor material, said semiconductor material can be selectively removed superficially. This allows an efficient, fast and cost-effective production of a large number of semiconductor devices with constant quality compared to previously known methods.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird bei Belichtung die Projektionsmaske auf der GaN-basierten Halbleiterschicht verkleinert, bevorzugt im Bereich 2- bis 20-fach verkleinert, insbesondere bevorzugt 10-fach verkleinert abgebildet. Es erfolgt somit eine Skalierung der durch die Projektionsmaske vorgegebenen Struktur, das heißt eine Verkleinerung der Aussparungen in der Projektionsmaske auf den gewünschten Maßstab auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements. Die Abmessung der Aussparungen ist vorzugsweise mit einem Faktor 10 größer skaliert als die gewünschte Struktur, da mittels der Fokussieroptik bei der Abbildung der Projektionsmaske auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements eine vorzugsweise 10-fache Verkleinerung erreicht wird. Der Belichtungsbereich auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements entspricht somit einem Zehntel der Abmessung der Aussparungen in der Projektionsmaske. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Herstellung der Projektionsmaske durch die größeren Abmessungen der Strukturen, das heißt der Aussparungen in der Projektionsmaske, im Vergleich zu den gewünschten Strukturen auf der Halbleiteroberfläche vereinfacht wird. Ebenso kann über die Fokusoptik der Abbildungsmaßstab flexibel eingestellt werden (z. B. durch Austausch des Objektivs zur Fokussierung), sodass ausgehend von der gleichen Projektionsmaske die Struktur mit unterschiedlichen Größenordnungen auf die Oberfläche des Halbleiterbauelements abgebildet werden kann, das heißt auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements abgetragen werden kann.In a further preferred embodiment, the projection mask on the GaN-based semiconductor layer is reduced in size upon exposure, preferably in the range of 2 to 20 times reduced, particularly preferably 10 times smaller shown. There is thus a scaling of the predetermined by the projection mask structure, that is, a reduction of the recesses in the projection mask on the desired scale on the surface of the semiconductor device. The dimension of the recesses is preferably scaled larger by a factor of 10 than the desired structure, since a preferably 10-fold reduction is achieved by means of the focusing optics when imaging the projection mask on the surface of the semiconductor component. The exposure area on the surface of the semiconductor device thus corresponds to one tenth of the dimension of the recesses in the projection mask. This has the advantage that the production of the projection mask is simplified by the larger dimensions of the structures, that is to say the recesses in the projection mask, in comparison to the desired structures on the semiconductor surface. Likewise, the imaging scale can be adjusted flexibly via the focus optics (for example, by exchanging the objective for focusing) so that the structure with different magnitudes can be imaged onto the surface of the semiconductor component, that is to say on the surface of the semiconductor component, starting from the same projection mask can be removed.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird das Halbleiterbauelement als eine GaN-basierte lichtemittierende Diode ausgebildet. Die Herstellung der GaN-basierten lichtemittierenden Diode kann somit nur mittels direkter Laserbearbeitung, das heißt ohne den Einsatz photolithografischer Verfahren erfolgen:
Eine GaN-basierte lichtemittierende Diode umfasst typischerweise eine untere dotierte GaN-basierte Halbleiterschicht und eine obere dotierte GaN-basierte Halbleiterschicht sowie einen dazwischen liegenden aktiven Bereich. Die Ausbildung einer LED-Schichtstruktur ist zum Beispiel in
A GaN-based light emitting diode typically includes a lower doped GaN-based semiconductor layer and an upper doped GaN-based semiconductor layer and an active region therebetween. The formation of an LED layer structure is, for example, in
Für die Kontaktierung der unteren dotierten Halbleiterschicht werden in den GaN-basierten Halbleiterschichten Kontaktierungsgräben ausgebildet. Dabei werden vorzugsweise die obere dotierte Halbleiterschicht und der aktive Bereich mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Bereichen für die Kontaktierungsgräben entfernt. Vorzugsweise wird die Abtragstiefe mittels der Pulsenergie des Ablationslasers und/oder der Anzahl Laserpulse gesteuert. Hierdurch wird die untere dotierte Halbleiterschicht freigelegt, sodass eine Kontaktierungsstruktur aufgebracht werden kann.For contacting the lower doped semiconductor layer contacting trenches are formed in the GaN-based semiconductor layers. In this case, the upper doped semiconductor layer and the active region are preferably removed by means of an embodiment of the method according to the invention in the regions for the contacting trenches. Preferably, the removal depth is controlled by means of the pulse energy of the ablation laser and / or the number of laser pulses. As a result, the lower doped semiconductor layer is exposed, so that a contacting structure can be applied.
Zur Ausbildung von Mesa-Strukturen, zum Beispiel zur Definition einer leuchtenden aktiven Fläche der lichtemittierende Diode, wird vorzugsweise zumindest die obere dotierte Halbleiterschicht mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in lokalen Bereichen entfernt. Vorzugsweise wird die Abtragstiefe mittels der Pulsenergie des Ablationslasers und/oder der Anzahl Laserpulse gesteuert.In order to form mesa structures, for example for defining a luminous active surface of the light-emitting diode, preferably at least the upper doped semiconductor layer is removed by means of an embodiment of the method according to the invention in local regions. Preferably, the removal depth is controlled by means of the pulse energy of the ablation laser and / or the number of laser pulses.
Zur Ausbildung mechanischer Isolierungen der einzelnen lichtemittierenden Dioden eines Wafers zur späteren Trennung der einzelnen lichtemittierenden Dioden können Trennungsgräben, so genannte Sägestraßen ausgebildet werden. Hierbei werden vorzugsweise die obere dotierte Halbleiterschicht, der aktive Bereich und die untere Halbleiterschicht bis zu dem Substrat mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Bereichen für die Trennungsgräben entfernt.To form mechanical insulations of the individual light-emitting diodes of a wafer for later separation of the individual light-emitting diodes, separation trenches, so-called sawing streets, can be formed. Here, preferably, the upper doped semiconductor layer, the active region and the lower semiconductor layer are removed to the substrate by means of an embodiment of the method according to the invention in the areas for the separation trenches.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die oben genannten Strukturierungsschritte mittels direkter Laserbearbeitung gleichzeitig vorzugsweise mit nur einer Belichtung für die ganze Oberfläche des Halbleiterbauelements erfolgen können. Ebenso kann analog eine Mehrzahl lichtemittierender Dioden simultan, vorzugsweise mit nur einer Belichtung strukturiert und somit hergestellt werden.This results in the advantage that by means of an embodiment of the method according to the invention, the structuring steps mentioned above can be carried out simultaneously by means of direct laser processing, preferably with only one exposure for the entire surface of the semiconductor component. Likewise, a plurality of light-emitting diodes can be structured in a similar manner, preferably with only one exposure, and thus produced.
Im Rahmen dieser Beschreibung bedeutet untere Halbleiterschicht die Halbleiterschicht, welche dem Substrat zugewandt ist. Obere Halbleiterschicht bedeutet die Halbleiterschicht, welche dem Substrat abgewandt ist. Dies dient lediglich der einfacheren Bezugnahme und gilt insbesondere unabhängig davon, welche tatsächliche räumliche Lage der Gesamtstruktur während der Herstellung und/oder während der Benutzung vorliegt.In the context of this description, the lower semiconductor layer means the semiconductor layer which faces the substrate. Upper semiconductor layer means the semiconductor layer which faces away from the substrate. This is for convenience of reference only, and is particularly independent of the actual physical location of the entire structure during manufacture and / or during use.
Die Dotierungstypen für die obere und die untere Halbleiterschicht sind der p-Dotierungstyp und der hierzu entgegengesetzte n-Dotierungstyp. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die untere Halbleiterschicht als n-dotierter Halbleiter ausgebildet ist und die obere Halbleiterschicht als p-dotierter Halbleiter ausgebildet ist oder umgekehrt. Bevorzugt ist die obere Halbleiterschicht als p-dotierte Halbleiterschicht ausgebildet und die untere Halbleiterschicht als n-dotierte Halbleiterschicht ausgebildet.The doping types for the upper and the lower semiconductor layer are the p-type doping and the opposite n-type doping. It is within the scope of the invention that the lower semiconductor layer is formed as an n-doped semiconductor and the upper semiconductor layer is formed as a p-doped semiconductor or vice versa. Preferably, the upper semiconductor layer is formed as a p-doped semiconductor layer and the lower semiconductor layer is formed as an n-doped semiconductor layer.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtstruktur einen aktiven Bereich, welcher aktive Bereich in Verfahrensschritt B in den Belichtungsbereichen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig entfernt wird. Hierdurch wird eine elektrische Isolation zwischen verschiedenen Bereichen des Halbleiterbauelements geschaffen. Beispielsweise ist es somit bei der Herstellung einer lichtemittierenden Diode möglich, eine leuchtende Fläche zu definieren. Der aktive Bereich kann aus mehreren Halbleiterschichten bestehen und ist vorzugsweise als Schichtsystem aus mehreren undotierten Halbleiterschichten in an sich bekannter Weise ausgebildet. Insbesondere kann der aktive Bereich einen oder bevorzugt mehrere Quantentöpfe aufweisen.In a further preferred embodiment, the semiconductor layer structure comprises an active region, which active region in method step B is at least partially, preferably completely removed, in the exposure regions. As a result, an electrical isolation between different areas of the semiconductor device is provided. For example, in the manufacture of a light-emitting diode, it is thus possible to define a luminous surface. The active region can consist of a plurality of semiconductor layers and is preferably designed as a layer system comprising a plurality of undoped semiconductor layers in a manner known per se. In particular, the active region can have one or preferably a plurality of quantum wells.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in Verfahrensschritt B die Halbleiterschichtstruktur in den Belichtungsbereichen vollständig entfernt. Hierdurch wird neben einer elektrischen Isolation gleichzeitig eine mechanische Isolation geschaffen und es ergibt sich der Vorteil, dass so die Vereinzelung der Halbleiterbauelemente ohne deren Beschädigung vereinfacht wird.In a further preferred embodiment, in method step B, the semiconductor layer structure is completely removed in the exposure areas. In this way, in addition to an electrical insulation simultaneously creates a mechanical isolation and there is the advantage that so the separation of the semiconductor devices is simplified without their damage.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in Verfahrensschritt B zumindest ein leuchtender Bereich der lichtemittierenden Diode definiert, indem durch Entfernen zumindest des aktiven Bereichs in den Belichtungsbereichen eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung des leuchtenden Bereichs erfolgt. Es erfolgt eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung des leuchtenden Bereichs der lichtemittierenden Diode von einem nichtleuchtenden Umgebungsbereich der lichtemittierenden Diode. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mechanische Trennung und elektrische Isolierung des leuchtenden Bereichs ohne Entstehung von Nebenschlüssen erfolgt.In a further preferred embodiment, in method step B, at least one luminous region of the light-emitting diode is defined by mechanically separating and electrically insulating the luminous region by removing at least the active region in the exposure regions. A mechanical separation and electrical insulation of the luminous region of the light-emitting diode from a non-luminous surrounding region of the light-emitting diode takes place. This results in the advantage that mechanical separation and electrical isolation of the illuminated area takes place without the formation of shunts.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird eine Mehrzahl Halbleiterbauelemente auf einem Wafer hergestellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Belichtung des Wafers durch eine entsprechend strukturierte Projektionsmaske eine Mehrzahl Halbleiterbauelemente simultan belichtet, das heißt strukturiert werden kann.In a further preferred embodiment, a plurality of semiconductor components is produced on a wafer. This results in the advantage that by means of the exposure of the wafer by a correspondingly structured projection mask a plurality of semiconductor devices simultaneously exposed, that is, can be structured.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform welcher Wafer verschiebbar angeordnet wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Wafer und damit vorzugsweise das zu bearbeitende Halbleiterbauelement, exakt positioniert werden kann. Insbesondere bevorzugt wird der Wafer senkrecht zur Laserstrahlung des Ablationslasers verschiebbar angeordnet. Zur Positionierung des Wafers, das heißt zum Verfahren des Wafers wird eine an sich bekannte X-Y-Verschiebeeinheit verwendet.In a further preferred embodiment, which wafer is arranged displaceably. This results in the advantage that the wafer, and thus preferably the semiconductor component to be processed, can be positioned precisely. Particularly preferably, the wafer is arranged displaceably perpendicular to the laser radiation of the ablation laser. For positioning the wafer, that is to say for moving the wafer, a per se known X-Y displacement unit is used.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird der Verfahrensschritt B wiederholt. Bevorzugt wird der Verfahrensschritt B zwischen einmal und zwanzigmal, insbesondere bevorzugt fünfmal wiederholt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine mehrmalige Belichtung an der gleichen Position auf dem Halbleiterbauelement und/oder dem Wafer erfolgen kann. Somit kann kontrolliert ein definierter Tiefenabtrag erreicht werden.In a further preferred embodiment, the method step B is repeated. Preferably, process step B is repeated between once and twenty times, particularly preferably five times. This results in the advantage that a multiple exposure can take place at the same position on the semiconductor component and / or the wafer. Thus, a defined depth of abrasion can be achieved in a controlled manner.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt in einem Verfahrensschritt C1 nach dem Verfahrensschritt B ein Verschieben des Wafers. Hierdurch können unterschiedliche gewünschte Positionen auf dem Wafer angefahren werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mit der gleichen Projektionsmaske durch Abrastern die gesamte Waferoberfläche strukturiert werden kann. Eine vorzugsweise Verschiebestrategie ist das „Step and Repeat”-Verfahren:
In einem Verfahrensschritt C0 wird die erste gewünschte Position angefahren. Im Anschluss erfolgt die Strukturierung mittels Belichtung mit Laserlicht in Verfahrensschritt B. Der Verfahrensschritt B kann mehrfach wiederholt werden, um eine gewünschte Abtragstiefe zu erreichen. Nach der gewünschten Anzahl Wiederholungen des Verfahrensschritts B wird in dem Verfahrensschritt C1 die nächste gewünschte Position angefahren. Hier erfolgt dann die Strukturierung mittels Belichtung mit Laserlicht in Verfahrensschritt B. Der Verfahrensschritt B kann wieder mehrfach wiederholt werden, um die gewünschte Abtragstiefe zu erreichen. Diese Abfolge kann insgesamt mehrfach wiederholt werden, um die ganze Oberfläche des Wafers abzurastern.In a further preferred embodiment, in a method step C1, after the method step B, the wafer is displaced. As a result, different desired positions can be approached on the wafer. This has the advantage that the entire wafer surface can be patterned by scanning with the same projection mask. A preferred shift strategy is the "step and repeat" method:
In a method step C0, the first desired position is approached. The structuring is then carried out by exposure to laser light in method step B. The method step B can be repeated several times in order to achieve a desired removal depth. After the desired number of repetitions of method step B, the next desired position is approached in method step C1. Here, the structuring then takes place by means of exposure to laser light in method step B. The method step B can be repeated several times in order to achieve the desired removal depth. This sequence can be repeated several times in total to rasterize the entire surface of the wafer.
In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt in einem Verfahrensschritt C2 ein Verschieben des Wafers, wobei der Verfahrensschritt C2 gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt B erfolgt. Eine vorzugsweise Verschiebestrategie ist das „Fire on the Fly”-Verfahren:
In einem Verfahrensschritt C0 wird die erste gewünschte Position angefahren. Im Anschluss erfolgt die Strukturierung mittels Belichtung mit Laserlicht in Verfahrensschritt B. In dem Verfahrensschritt C2 erfolgt ein Verschieben des Wafers. Dabei erfolgt der Verfahrensschritt C2 zeitgleich mit dem Verfahrensschritt B. Dies bedeutet, dass der Wafer quasi kontinuierlich verschoben wird, während der Verfahrensschritt B mehrfach, jeweils an einer neuen Position auf der Waferoberfläche wiederholt wird. Diese simultane Abfolge kann mehrfach wiederholt werden, um die ganze Oberfläche des Wafers zu bearbeiten. Um die gewünschte Abtragstiefe zu erreichen, kann der Wafer mehrfach bearbeitet werden, sodass an jeder gewünschten Position eine mehrfache Belichtung bis zu dem gewünschten Tiefenabtrag erfolgt.In an alternative preferred embodiment, the wafer is displaced in a method step C2, the method step C2 being performed simultaneously with method step B. A preferred shift strategy is the "fire on the fly" method:
In a method step C0, the first desired position is approached. The structuring then takes place by means of exposure to laser light in method step B. In method step C2, the wafer is displaced. In this case, the method step C2 takes place simultaneously with the method step B. This means that the wafer is moved virtually continuously, while the method step B is repeated several times, each time at a new position on the wafer surface. This simultaneous sequence can be repeated several times to process the entire surface of the wafer. In order to achieve the desired removal depth, the wafer can be processed several times, so that at each desired position a multiple exposure takes place up to the desired depth removal.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt D nach dem Verfahrensschritt B ein Ätzschritt durchgeführt. Vorteilhafterweise erfolgt der Ätzschritt mittels eines Eintauchens in ein Ammoniakbad, dies wird „Ätzdip” genannt. Bei einem Ätzdip wird die Oberfläche der lichtemittierenden Diode für einen kurzen Zeitraum vollständig mit einer Ätzlösung benetzt. Durch den Ätzschritt wird vermieden, dass zwischen den leitenden Schichten, insbesondere zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Halbleiterschicht, ein Nebenschluss ausgebildet wird und es somit zu einem Kurzschluss kommt. Vorzugsweise wird die Oberfläche der lichtemittierenden Diode zumindest für einen Zeitraum 10 Minuten vollständig mit einer Ätzlösung, vorzugsweise einer wässrigen Ammoniaklösung mit 3% Ammoniak, benetzt.In a further preferred embodiment, an etching step is carried out in an additional method step D after the method step B. Advantageously, the etching step takes place by means of immersion in an ammonia bath, this is called "etch dip". In an etch dip, the surface of the light emitting diode is completely wetted with an etching solution for a short period of time. The etching step avoids that a shunt is formed between the conductive layers, in particular between the p-doped and the n-doped semiconductor layer, and thus a short circuit occurs. Preferably, the surface of the light-emitting diode is completely wetted with an etching solution, preferably an aqueous ammonia solution with 3% ammonia, for at least a period of 10 minutes.
In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt der Ätzschritt im Verfahrensschritt D nach dem Verfahrensschritt B mittels eines Eintauchens in eine KOH-Lösung und/oder eine Benetzung der Oberfläche des Halbleiterbauelements mit einer KOH-Lösung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Laserablation des Halbleitermaterials eventuell entstandene Nebenschlüsse entfernt werden.In an alternative preferred embodiment, the etching step in method step D after method step B is carried out by means of immersion in a KOH solution and / or wetting of the surface of the semiconductor component with a KOH solution. This has the advantage that any shunts that may have arisen due to the laser ablation of the semiconductor material are removed.
In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt der Ätzschritt im Verfahrensschritt D nach dem Verfahrensschritt B mittels eines Eintauchens in eine HCL-Lösung und/oder eine Benetzung der Oberfläche des Halbleiterbauelements mit einer HCL-Lösung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Laserablation des Halbleitermaterials eventuell entstandene Nebenschlüsse entfernt werden.In an alternative preferred embodiment, the etching step in method step D after method step B is carried out by means of immersion in an HCl solution and / or wetting of the surface of the semiconductor component with an HCl solution. This has the advantage that any shunts that may have arisen due to the laser ablation of the semiconductor material are removed.
Die zuvor beschriebene Aufgabe ist weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bevorzugt einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.The object described above is furthermore achieved by a device for processing a semiconductor component according to
Die Vorrichtung zur Bearbeitung eines Halbleiterbauelements, welches Halbleiterbauelement zumindest eine GaN-basierte Halbleiterschicht umfasst, umfasst einen Laser, Mittel zur Strahlaufweitung und Mittel zur Fokussierung, wobei ein Laserstrahlengang ausgehend von dem Laser durch die Mittel zur Strahlaufweitung zu den Mitteln zur Fokussierung verläuft.The device for processing a semiconductor device, which semiconductor device comprises at least one GaN-based semiconductor layer, comprises a laser, means for beam expansion and means for focusing, wherein a laser beam path from the laser through the means for beam expansion extends to the means for focusing.
Wesentlich ist, dass der Laser als Excimer-Laser ausgebildet ist und dass in dem Strahlengang des Excimer-Lasers zumindest eine Projektionsmaske derart zwischen den Mitteln zur Strahlaufweitung und den Mitteln zur Fokussierung angeordnet und ausgebildet ist, dass Laserstrahlung auf die Projektionsmaske trifft und diese zumindest in Teilbereichen durchstrahlt. Hierbei sind Belichtungsbereiche des Halbleiterbauelements mittels der durchstrahlenden Laserstrahlung beaufschlagbar und Abschattungsbereiche des Halbleiterbauelements werden durch die Projektionsmaske abgeschattet.It is essential that the laser is designed as an excimer laser and that in the beam path of the excimer laser at least one projection mask between the means for beam expansion and the means for focusing and is arranged such that laser radiation strikes the projection mask and this at least in Radiated sections. In this case, exposure regions of the semiconductor component can be acted on by means of the irradiating laser radiation, and shading regions of the semiconductor component are shaded by the projection mask.
Somit kann in einem Prozessschritt die gesamte Oberfläche eines Halbleiterbauelements gleichzeitig strukturiert werden. Ebenso ist es möglich, dass vorteilhafterweise eine Mehrzahl Halbleiterbauelemente gleichzeitig, das heißt in einem Belichtungsschritt strukturiert wird.Thus, in one process step, the entire surface of a semiconductor device can be structured simultaneously. It is likewise possible for a plurality of semiconductor components to be structured simultaneously, that is to say in an exposure step.
Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eine große Anzahl von Halbleiterbauelementen kostengünstig und zeitsparend mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt werden kann.This results in particular the advantage that a large number of semiconductor devices can be produced inexpensively and time-saving means of the device according to the invention.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist ein Strahlhomogenisierer derart zwischen den Mitteln zur Strahlaufweitung und der Projektionsmaske angeordnet und ausgebildet, dass Laserstrahlung mit einem im Wesentlichen homogenen Intensitätsprofil auf die Projektionsmaske trifft. Bevorzugt trifft die Laserstrahlung mit einem quadratischen Top-Hat-Strahlprofil auf die Projektionsmaske. Die Laserstrahlung mit dem homogenen Intensitätsprofil trifft auf die Projektionsmaske und durchstrahlt diese in den Bereichen der Aussparung der Projektionsmaske, das heißt, es kann hier eine beliebige Form des Laserstrahls „ausgeschnitten” werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Laserintensität in allen Punkten eines Strahlquerschnitts im Wesentlichen gleich groß ist. Somit wird auch ein konstanter Materialabtrag über die gesamte belichtete Halbleiteroberfläche garantiert.In a preferred embodiment, a beam homogenizer is arranged and configured between the means for beam expansion and the projection mask such that laser radiation strikes the projection mask with a substantially homogeneous intensity profile. The laser radiation preferably impinges on the projection mask with a square top hat beam profile. The laser radiation with the homogeneous intensity profile impinges on the projection mask and radiates through it in the areas of the recess of the projection mask, that is, any shape of the laser beam can be "cut out" here. This has the advantage that the laser intensity is essentially the same in all points of a beam cross section. Thus, a constant material removal over the entire exposed semiconductor surface is guaranteed.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die Projektionsmaske mittels optischer oder Elektronenstrahl-Lithografie und/oder mittels direkter Laser-Ablation strukturiert. Als Projektionsmaske kann beispielsweise eine mittels bekannter Verfahren hergestellte 4” Cr/Quarz Lithographiemaske verwendet werden, die kommerziell erhältlich ist. Vorteilhafterweise ist die Projektionsmaske derart ausgebildet, dass sie Aussparungen aufweist, welche bezüglich der Form der Aussparungen der Struktur entsprechen, die an der Oberfläche des Halbleiterbauelements abgetragen werden soll. Die Laserstrahlung durchstrahlt die Projektionsmaske in den genannten Aussparungen und trifft so auf die Oberfläche der Halbleiterschichtstruktur.In a further preferred embodiment, the projection mask is structured by means of optical or electron beam lithography and / or by means of direct laser ablation. As the projection mask, for example, a 4 "Cr / quartz lithographic mask prepared by known methods can be used, which is commercially available. Advantageously, the projection mask is formed such that it has recesses which correspond in terms of the shape of the recesses of the structure to be removed on the surface of the semiconductor device. The laser radiation radiates through the projection mask in said recesses and thus impinges on the surface of the semiconductor layer structure.
Vorteilhafterweise sind die Abmessungen der Aussparungen der Projektionsmaske im Vergleich zu den gewünschten Strukturen auf der Halbleiteroberfläche vergrößert. Durch die Fokussieroptik erfolgt eine Skalierung der Aussparungen auf die gewünschte Größe bei der Abbildung der Projektionsmaske auf die Oberfläche des Halbleiterbauelements. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf bekannte Verfahren zur Strukturierung der Projektionsmaske zurückgegriffen werden kann. Ebenso vorteilhaft ist, dass die Aussparungen der Projektionsmaske in einer größeren und damit leichter zu handhabenden Größenordnung von mehreren Millimetern ausgebildet sein können.Advantageously, the dimensions of the recesses of the projection mask are increased compared to the desired structures on the semiconductor surface. Due to the focusing optics, the recesses are scaled to the desired size during the imaging of the projection mask onto the surface of the semiconductor component. This has the advantage that it is possible to fall back on known methods for structuring the projection mask. It is equally advantageous that the recesses of the projection mask can be formed in a larger and thus easier to handle order of several millimeters.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die Projektionsmaske derart angeordnet und ausgebildet, dass mittels der durchstrahlenden Laserstrahlung eine Mehrzahl Halbleiterbauelemente gleichzeitig beaufschlagbar ist.In a further preferred embodiment, the projection mask is arranged and designed in such a way that a plurality of semiconductor components can be acted on simultaneously by means of the irradiating laser radiation.
Die Projektionsmaske ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass mehrere Strukturierungsvorlagen für die gewünschte Struktur der Oberfläche eines Halbleiterbauelements, das heißt mehrere Aussparungen, die einer Schablone für die gewünschte Strukturierung entsprechen, auf der Projektionsmaske angeordnet sind. Beispielsweise können 3 × 3 Aussparungen bzw. Schablonen auf der Projektionsmaske angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Mehrzahl Halbleiterbauelemente in einem Belichtungsvorgang gleichzeitig strukturiert werden kann.The projection mask is advantageously designed such that a plurality of structuring templates for the desired structure of the surface of a semiconductor component, that is to say a plurality of recesses which correspond to a template for the desired structuring, are arranged on the projection mask. For example, 3 × 3 recesses or templates may be arranged on the projection screen. This results in the advantage that a plurality of semiconductor components can be structured simultaneously in an exposure process.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen GaN-basierte Halbleiterschichten strukturiert werden sollen.The device according to the invention and the method according to the invention are fundamentally suitable for applications in which GaN-based semiconductor layers are to be structured.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sind vorzugsweise ausgebildet zur Herstellung von lichtemittierenden Dioden in großer Stückzahl:
Ausgehend von der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer vorzugsweisen Ausführungsform zur Herstellung lichtemittierender Dioden unter Verwendung eines Excimer-Lasers mit einer Pulsenergie von bis zu 2 Joule kann eine Fläche von 1 cm2 mit der notwendigen Leistungsdichte ausgeleuchtet werden. Moderne lichtemittierende Dioden weisen eine Chipfläche von 1 × 1 mm2 auf. Berücksichtigt man den Abstand zwischen den einzelnen Chips, so können gleichzeitig über 60 lichtemittierende Dioden bearbeitet werden. Typischerweise werden bei der Herstellung lichtemittierender Dioden runde Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm verwendet. Bei Einsatz der oben beschriebenen „Fire on the Fly”-Verschiebestrategie mit einer Verschiebegeschwindigkeit des Wafers von 100 mm/s benötigen fünf Bearbeitungsdurchläufe für einen vorzugsweise gewünschten Tiefenabtrag, ungefähr zwei Minuten. Mit Berücksichtigung einer kurzen Zeitspanne unter einer Minute für die Justierung können in weniger als drei Minuten Bearbeitungszeit somit über 10.000 lichtemittierende Dioden bearbeitet werden.The device according to the invention and / or the method according to the invention are preferably designed for the production of light-emitting diodes in large numbers:
Starting from the implementation of the method according to the invention or a preferred embodiment for producing light-emitting diodes using an excimer laser with a pulse energy of up to 2 joules, an area of 1 cm 2 can be illuminated with the necessary power density. Modern light-emitting diodes have a chip area of 1 × 1 mm 2 . Considering the distance between the individual chips, so over 60 light-emitting diodes can be processed simultaneously. Typically, in the manufacture of light emitting diodes, round wafers with a diameter of 150 mm are used. Using the above-described "Fire on the Fly" strategy with a wafer displacement speed of 100 mm / s, five processing passes for a preferably desired depth of cut will take about two minutes. Taking into account a short period of time under one minute for the adjustment, more than 10,000 light-emitting diodes can thus be processed in less than three minutes of machining time.
Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:Further preferred features and embodiments of the method according to the invention and of the device according to the invention are explained below on the basis of exemplary embodiments and the figures. Showing:
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.In the figures, like reference numerals designate like or equivalent elements.
Der Laser
Der Kollimator
Der Strahlhomogenisierer
Die Projektionsmaske
Die Laserstrahlung
Das Halbleiterbauelement
Typischerweise ist die lichtemittierende Diode auf einem Saphirsubstrat
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde im Bereich
Die Abmessungen der n-Kontaktierungsstruktur
In dem Graben
Ebenso wurde im Bereich
Im Bereich
Die Aussparungen
Die Abmessung der Aussparungen ist vorliegend mit einem Faktor 10 größer skaliert, da mittels der Fokussieroptik bei der Abbildung der Projektionsmaske auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements eine Verkleinerung auf vorliegend 10% erreicht wird. Der Belichtungsbereich auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements entspricht somit einem Zehntel der Abmessung der Aussparungen in der Projektionsmaske.In the present case, the dimension of the recesses is scaled up by a factor of 10, since a reduction to the present 10% is achieved by means of the focusing optics when imaging the projection mask on the surface of the semiconductor component. The exposure area on the surface of the semiconductor device thus corresponds to one tenth of the dimension of the recesses in the projection mask.
Ausgehend von der Verwendung eines Excimer-Lasers mit einer Pulsenergie von bis zu 2 Joule kann eine Fläche von 1 cm2 mit der notwendigen Leistungsdichte ausgeleuchtet werden. Moderne lichtemittierende Dioden weisen eine Chipfläche von 1 × 1 mm2 auf. Berücksichtigt man den Abstand zwischen den einzelnen Chips, so können mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Projektionsmaske
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
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R003 | Refusal decision now final |